21 Déc Cristalliser notre compréhension de la malaria
Une structure atomique définitive des cristaux d’hème fabriqués par les parasites du paludisme pourrait conduire à de meilleurs médicaments antipaludiques.
Le professeur Leslie Leiserowitz a été intrigué pour la première fois par le paludisme lorsqu’il était un jeune garçon en Afrique du Sud. Son père, qui parcourait le continent à la recherche de bois pour l’entreprise familiale, ramenait non seulement des histoires d’éléphants et de gorilles, mais aussi des éruptions cutanées et des bourdonnements d’oreille, effets secondaires de la quinine qu’il prenait pour prévenir le paludisme. Des décennies plus tard, alors qu’il étudiait les cristaux à l’Institut Weizmann des Sciences, le Prof. Leiserowitz s’est rendu compte que le paludisme était en fait étonnamment pertinent pour ses recherches. Il a appris que le parasite du paludisme prospère à l’intérieur des globules rouges grâce à son aptitude à fabriquer des cristaux, et il a entrepris d’étudier ces cristaux, en s’associant plus tard à un collègue de la Faculté de Chimie, le professeur Michael Elbaum.
(g-d) Prof.Michael Elbaum, Dr. Lothar Houben et Prof. Leslie Leiserowitz. Dr. Elbaum a récemment présenté les résultats de l’étude lors du symposium « Leslie at 90 : A Scientific Odyssey » (Leslie à 90 ans : une odyssée scientifique), organisé à Weizmann pour marquer le 90e anniversaire du Prof. Leiserowitz.
Une nouvelle étude, dirigée par les Prof. Elbaum et Leiserowitz et menée en collaboration avec d’éminentes équipes de recherche du monde entier, a abouti à un article scientifique qui pourrait aider à vaincre le parasite du paludisme. Il révèle, avec une précision sans précédent, la structure des cristaux que le parasite construit pour survivre. La plupart des médicaments antipaludiques étant censés agir en interférant avec la formation et la croissance de ces cristaux, les nouvelles découvertes pourraient permettre d’améliorer les médicaments antipaludiques.
« Les technologies d’imagerie telles que la microscopie électronique et la microscopie à rayons X ont fait d’énormes progrès et nous nous sommes rendu compte que nous pouvions les utiliser pour faire quelque chose de bien pour l’humanité », explique le Prof. Elbaum pour expliquer comment cette recherche a vu le jour. « C’était une opportunité que nous ne pouvions pas laisser passer.
Un nouveau regard sur le pigment du paludisme
Bien que l’incidence du paludisme ait été considérablement réduite au cours des deux premières décennies du 21ème siècle, la maladie reste un immense problème de santé mondial, tuant plus d’un demi-million de personnes chaque année, dont la plupart sont de jeunes enfants. Une grande partie des efforts d’éradication vise à lutter contre les moustiques qui, par leurs piqûres, transmettent le parasite du paludisme, un organisme unicellulaire appartenant au genre Plasmodium. Les médicaments antipaludiques sont également essentiels à cet effort, mais bon nombre des médicaments existants ont perdu leur efficacité parce que les parasites y sont devenus résistants. Des médicaments améliorés pourraient contribuer à briser le cycle de passage du parasite des moustiques à l’homme et vice-versa.
Coupe transversale de la vacuole alimentaire, le sac qui ressemble à l’estomac du Plasmodium, dans lequel il digère l’hémoglobine. L’image, obtenue par tomographie électronique à transmission cryogénique (CSTET), révèle la présence de plusieurs gros cristaux du pigment du paludisme en forme de couperet au centre, et de nombreux cristaux plus petits à la périphérie.
La production de cristaux est une astuce de survie que le parasite utilise dans sa prise de contrôle des cellules sanguines. Cette manœuvre lui permet de se régaler d’hémoglobine, la protéine qui transporte l’oxygène dans le sang. La digestion de l’hémoglobine libère l’hème, un complexe moléculaire contenant du fer nécessaire à la fixation de l’oxygène. Libéré de la protéine qui l’entoure, l’hème est si réactif qu’il peut tuer le parasite. C’est précisément pour cette raison que le Plasmodium a mis au point un stratagème de survie qui consiste à rendre l’hème inoffensif en l’emballant dans des cristaux de couleur foncée connus sous le nom de pigment du paludisme ou, plus techniquement, d’hémozoïne. Lorsqu’elle a été découverte au 19e siècle, on a d’abord pensé que l’hémozoïne était fabriquée par l’organisme du patient en réponse à l’infection, mais on a fini par comprendre sa véritable origine, à savoir les activités du parasite.
Dans ses premières études sur les cristaux d’hémozoïne, le Prof. Leiserowitz était fasciné par leurs symétries, un sujet sur lequel il travaillait depuis de nombreuses années avec son collègue de Weizmann, le professeur Meir Lahav. Appliqué au paludisme, ce sujet devient une question de vie ou de mort : les différentes façons dont les molécules d’hème s’insèrent dans les cristaux créent non seulement des symétries différentes, mais peuvent également affecter la croissance des cristaux, ce qui, à son tour, peut sceller le destin du parasite. Toutefois, ces nuances structurelles étaient trop subtiles pour être résolues par les méthodes de l’époque.
Entre-temps, le Prof. Elbaum a travaillé indépendamment sur le Plasmodium sous un angle totalement différent. Avec des collègues de l’université hébraïque de Jérusalem, il étudiait les cellules de Plasmodium au cours de leur processus particulier de réplication. Alors que la plupart des cellules se divisent en deux, le parasite du paludisme fait d’abord de nombreuses copies de ses composants à l’intérieur d’un globule rouge, puis se divise instantanément en plusieurs parasites filles qui vont infecter de nouvelles cellules sanguines. Lorsque les scientifiques ont exploré les noyaux cellulaires au cours de ce processus à l’aide de méthodes de microscopie électronique 3D nouvellement disponibles, les cristaux d’hémozoïne sont également apparus au grand jour. Lorsque le Prof. Leiserowitz a présenté ses travaux sur ces cristaux lors d’une réunion de responsables de groupes de recherche, la collaboration avec le Prof. Elbaum s’est imposée d’elle-même.
(l-r) Dr. Debakshi Mullick and Dr. Idan Biran
La collaboration s’est avérée fructueuse dès le départ, en grande partie grâce à l’émergence de nouvelles technologies permettant d’étudier la matière à l’échelle nanométrique. Dans leur toute première étude conjointe, les scientifiques ont jeté un nouvel éclairage sur la formation des cristaux en utilisant la tomographie à rayons X mous, une méthode que le Prof. Elbaum avait contribué à développer pendant un congé sabbatique à Berlin. Ensuite, une nouvelle approche de la tomographie cryo-électronique que le Prof. Elbaum a développée avec des collègues de Weizmann a permis d’étudier des cellules intactes dans lesquelles le pigment de la malaria est fabriqué.
Par chance, un nouveau laboratoire travaillant sur la biologie du parasite du paludisme s’est ouvert à Weizmann. Il fournit aux Prof. Elbaum et Leiserowitz des globules rouges infectés dont l’hémozoïne peut être extraite. La révélation de la structure de ces cristaux naturels était cruciale pour les applications médicales, en particulier parce que les connaissances structurelles existantes avaient été largement basées sur les cristaux synthétiques plus facilement disponibles, utilisés dans la plupart des études antérieures sur l’hémozoïne.
Mais les cristaux n’ont pas livré leurs secrets facilement. À la recherche de pièces du puzzle de la structure qui manquaient encore après une analyse tridimensionnelle détaillée à Weizmann, les Prof. Elbaum et Leiserowitz ont envoyé leurs échantillons de pigments à des collègues de l’université d’Oxford et de la Diamond Light Source (le synchrotron national du Royaume-Uni), qui avaient installé une nouvelle méthode de cristallographie électronique produisant des images stupéfiantes du pigment. Au terme de leur première analyse, les scientifiques britanniques ont proposé de s’assurer la collaboration de chercheurs d’autres pays.
« À partir de là, la recherche s’est transformée en une sorte de course de relais, chaque laboratoire suggérant d’impliquer des collègues possédant une grande expertise dans d’autres domaines », se souvient le Prof. Elbaum. « Le groupe s’est finalement élargi à une sorte d’équipe d’étoiles pour des analyses de plus en plus sophistiquées. En fin de compte, la liste des auteurs de l’étude comprenait 17 chercheurs d’Israël, du Royaume-Uni, d’Autriche, de la République tchèque et des États-Unis. En d’autres termes, il a fallu une coalition de laboratoires parmi les plus avancés au monde et une batterie de technologies de pointe pour démêler les techniques de survie affinées au cours de l’évolution par un groupe de parasites sanguins unicellulaires. »
Répondre à la question des cristaux laids
Le résultat de cette collaboration internationale – une structure tridimensionnelle définitive, atome par atome, du pigment du paludisme – a fourni une série d’informations précieuses. Tout d’abord, il a permis de résoudre une énigme générée par des études antérieures, dans lesquelles les scientifiques de Weizmann avaient observé des cristaux d’une forme trapézoïdale particulière qui ressemblait à un hachoir de cuisine : L’extrémité « lame » était toujours lisse et tranchante, comme un ciseau, tandis que l’extrémité « manche » était variable et souvent dentelée.
« Nous nous demandions comment la nature pouvait produire quelque chose d’aussi laid – ces cristaux semblaient avoir été mordus d’un côté », se souvient le Prof. Leiserowitz.
La structure détaillée a permis de résoudre le dilemme du hachoir de cuisine. Les molécules d’hème s’insèrent par paires dans les cristaux de pigment du paludisme, mais comme les faces « avant » et « arrière » de ces molécules diffèrent chimiquement, elles peuvent s’apparier l’une à l’autre de quatre manières distinctes. En d’autres termes, les cristaux d’hémozoïne sont constitués de quatre blocs distincts d’hème, ou unités de base. Deux d’entre eux sont symétriques, mais les deux autres sont chiraux, ce qui signifie qu’ils sont des images miroir l’un de l’autre et qu’ils ne peuvent pas être superposés, comme la main gauche et la main droite. Lorsqu’ils se développent ensemble dans un seul cristal, le résultat peut être une surface atomiquement désordonnée, y compris une extrémité déchiquetée. Cette compréhension claire des surfaces cristallines est essentielle pour concevoir ou évaluer des médicaments qui doivent se lier au cristal pour inhiber sa croissance.
Image au microscope électronique d’un cristal de pigment du paludisme. « Ces cristaux donnaient l’impression d’avoir été mordus d’un côté.
Les médicaments peuvent atteindre leur objectif par des moyens plus complexes que l’arrêt de la croissance des cristaux, mais l’arrêt est vital pour ces autres effets également. Le Prof. Leiserowitz explique cette complexité à l’aide d’une analogie avec une usine automobile : « Imaginez que vous produisiez 500 voitures par jour, mais qu’au bout de la chaîne, les chauffeurs qui doivent enlever ces voitures cessent de travailler, de sorte que toutes ces voitures s’empilent. C’est exactement ce qui se passe lorsqu’un médicament empêche les molécules d’hème de se déplacer pour rejoindre un cristal. Elles s’accumulent et bloquent les membranes, de sorte que rien ne peut entrer ou sortir, ce qui contribue à tuer le parasite ».
L’étude peut faciliter la conception de nouveaux médicaments en permettant, par exemple, de calculer plus facilement les interactions entre les cristaux et le médicament. En outre, les résultats ont permis de préciser quelles facettes des cristaux croissent plus rapidement que d’autres et d’identifier les facettes dont la croissance est la plus susceptible d’être inhibée par la fixation du médicament. Enfin, l’étude a révélé des différences subtiles mais essentielles entre les cristaux naturels et synthétiques du paludisme, ce qui souligne l’importance de concevoir les futurs médicaments sur la base d’informations structurelles concernant les cristaux réels fabriqués par le parasite.
Le Prof. Elbaum a récemment présenté les résultats de l’étude lors du symposium « Leslie at 90 : A Scientific Odyssey » (Leslie à 90 ans : une odyssée scientifique), organisé à Weizmann à l’occasion du 90ème anniversaire du Prof. Leiserowitz. Bien sûr, la publication de l’article a coïncidé par hasard avec cet anniversaire marquant, mais il s’agit certainement d’une grande récompense pour les deux décennies de recherche du Prof. Leiserowitz sur le pigment du paludisme et pour l’intérêt qu’il a porté au paludisme tout au long de sa vie.
La Science en Chiffres
Selon les estimations de l’Organisation Mondiale de la Santé, près de 250 millions de cas de paludisme et plus de 600 000 décès dus à cette maladie ont été enregistrés dans 85 pays au cours de l’année 2022. Les enfants de moins de 5 ans sont particulièrement vulnérables et représentent environ 4 décès sur 5 dus au paludisme.
Chaque globule rouge contient environ 1 milliard de molécules d’hème intégrées dans l’hémoglobine. Les plus petits cristaux détectables de pigment du paludisme, ou hémozoïne, contiennent environ 20 000 molécules d’hème, mais ils peuvent croître jusqu’à contenir des dizaines de millions de molécules d’hème. La longueur d’onde de la lumière visible commençant à environ 400 nanomètres, les scientifiques étaient déjà en mesure d’observer de grands cristaux de paludisme ou des grappes de cristaux plus petits avec des microscopes optiques il y a plus de 100 ans.
