La Femme qui Déchiffra le Secret de la Vie

Par Ettay Nevo

Ada Yonath, malgré une enfance remplie d’obstacles personnels et financiers, a réussi là où les autres ont échoué et a résolu la structure de l’usine à fabriquer des protéines située dans les cellules – un exploit qui lui a valu le Prix Nobel de Chimie.
Les protéines sont les éléments les plus essentiels aux principaux processus de la vie. Nous ne pourrions pas respirer, manger ou combattre les infections sans l’hémoglobine, les enzymes de digestion ou les anticorps – qui sont des protéines. De petites machines protéiques accomplissent tous les processus vitaux dans la cellule, de la duplication de l’ADN à l’élimination des déchets, tandis que d’autres protéines fournissent une structure à la cellule.

Si les protéines sont si importantes, « l’usine » qui les fabrique au sein des cellules est évidemment l’un des processus clef de la vie. Cette usine, le ribosome, est un ensemble énorme composé lui-même de protéines ainsi que d’ARN. Sa structure 3D (tridimensionnelle) est extrêmement importante ; lorsqu’elle est perturbée, c’est toute la cellule qui s’arrête. Si, par exemple, nous voulions développer un antibiotique pour désactiver un ribosome bactérien, nous aurions besoin de connaître précisément sa structure et la façon dont la nouvelle molécule pourrait s’y lier et bloquer son activité.
Cependant, déchiffrer la structure 3D d’une molécule si grande et si complexe, bien que fragile et délicate, est incroyablement compliqué. En réalité, c’est si compliqué que beaucoup de scientifiques pensaient cela impossible.

Faire de la recherche dans une salle de bain
Ada Yonath (née Lifshitz) est née en 1939 à Jérusalem dans une famille modeste, partageant un petit appartement avec d’autres familles. Quand elle eut 11 ans, son père, dont la santé déclinait depuis plusieurs années, décéda ; elle commença donc à travailler pour aider à subvenir aux besoins de sa famille. Elle faisait des ménages, du babysitting et donnait des cours particuliers. Depuis son plus jeune âge, Ada était curieuse et cherchait à comprendre le monde qui l’entourait, entre autres en mesurant les choses et en faisant des expériences.

Malgré une situation financière difficile, la famille Lifshitz accordait une grande importance à l’éducation et Ada Yonath fut envoyée dans des écoles coûteuses et prestigieuses. Après la mort de son père, sa famille déménagea à Tel-Aviv où Ada Yonath obtint son diplôme d’études secondaires. Puis, après un service militaire au sein du Corps Médical, Ada Yonath se tourna vers l’Université hébraïque où elle obtint sa Licence en Chimie puis son Master en Biochimie et Biophysique.

Pendant son doctorat à l’Institut Weizmann des Sciences, Ada Yonath commença à étudier la structure des protéines de collagène ; puis, pendant son post-doctorat aux États-Unis, elle étendit ses études à d’autres protéines. En 1970, elle fut recrutée par le département de chimie de l’Institut Weizmann où elle créa le laboratoire de cristallographie des matériaux biologiques, le seul d’Israël à l’époque. Elle menait ses recherches depuis un petit bureau qui n’était rien de plus qu’une salle de bain dont l’évier était le bureau et les toilettes la chaise.

Ada Yonath devant la porte de la maison qui l’a vue grandir à Jérusalem | Photographe : Micheline Pelletier/Corbis, site internet du Prix Nobel

Une Mission : la Cristallisation
La cristallisation est longtemps restée l’unique méthode permettant de résoudre précisément la structure 3D des molécules biologiques. Avec cette méthode, les molécules sont transformées en cristaux, c’est-à-dire en un matériau composé d’unités répétitives identiques. Quand on illumine un cristal avec de puissants rayons X, sa structure peut être déchiffrée à partir des rayons X déviés par les molécules du cristal. La structure cristalline obtenue nous permet d’obtenir beaucoup d’informations sur la structure des unités qui la composent.

La chercheuse britannique Dorothy Hodgkin est l’une des pionnières de ce domaine ; elle a déterminé la structure de nombreuses protéines importantes et a même obtenu le Prix Nobel de Chimie pour avoir découvert la structure de l’insuline. Une autre chercheuse britannique, Rosalind Franklin, a utilisé cette même technique pour déterminer la structure de l’ADN. À cette époque, la cristallographie était limitée à des types très particuliers de molécules : celles-ci devaient être relativement petites pour pouvoir être facilement cristallisées. Ce qui n’est pas le cas du ribosome : en effet, celui-ci est composé de dizaines de protéines et de séquences d’ARN différentes et a une structure très instable qui a tendance à s’effondrer et à perdre sa fonction au moindre changement environnemental.

Cristalliser un ribosome était donc considéré comme une tâche impossible.

Ada Yonath écrivit d’ailleurs dans sa biographie sur le site internet du Prix Nobel : « quand j’ai décrit mon projet de déterminer la structure du ribosome, beaucoup d’éminents scientifiques m’ont répondu avec sarcasme et scepticisme. Je suis ainsi devenue l’éternelle rêveuse, la folle du village, la soi-disant scientifique et la personne dirigée par ses fantasmes. »

J’étais la rêveuse. Ada Yonath avec l’équipement utilisé pour déchiffrer les structures en utilisant la cristallographie. | Photographe : Micheline Pelletier/Corbis, site internet du Prix Nobel

Ours polaires et Mer Morte
L’idée de Yonath de rendre éventuellement possible la cristallisation de ribosomes a trouvé sa source dans un article sur les ours polaires ; on y montre que les ribosomes de leurs cellules s’organisent en une structure dense pendant l’hibernation. Cet article la mena à s’intéresser à la structure des ribosomes d’organismes vivant dans des conditions extrêmes, comme les bactéries de la Mer Morte ou de sources chaudes, supposant que leurs ribosomes seraient moins sensibles aux changements environnementaux. En utilisant une méthode développée par un de ses collègues allemand, Ada Yonath réussit à produire une grande quantité des ribosomes de ces bactéries.

Cette quantité était suffisante pour obtenir des microcristaux. Ce n’était pas assez pour découvrir la structure d’un ribosome mais c’était un début.
L’un des problèmes avec les cristaux d’un matériau si sensible est qu’ils ont tendance à se désintégrer quand ils sont exposés au rayonnement utilisé pour déterminer leur structure. Afin d’empêcher cette désintégration, Ada Yonath décida de refroidir instantanément les cellules à -190 degrés centigrades en utilisant de l’azote liquide, mais ce processus détruisait les ribosomes. Elle ajouta donc à sa méthode une autre technique de chimie organique et immergea les cristaux de ribosomes dans de l’huile avant leur refroidissement. Cette méthode développée par Ada Yonath est maintenant appelée « cryo-bio-cristallographie » et est utilisée pour déchiffrer la structure de nombreux matériaux biologiques.

Après avoir passé cet obstacle, Ada Yonath et ses collègues ont progressivement déchiffré la structure des cristaux de ribosomes en utilisant de puissants rayons X. Assez rapidement, dès que l’obtention de résultats parut possible, d’autres groupes de scientifiques du monde entier se joignirent à la course au ribosome. À partir de là, des étapes intermédiaires et des difficultés se présentèrent, jusqu’à ce que Ada Yonath et ses étudiants publient une série d’articles en 2000-2001 présentant la structure du ribosome. Ada Yonath compara sa quête scientifique pour déterminer la structure du ribosome à l’ascension du Mont Everest. À chaque étape, l’arrivée au sommet permettait seulement de découvrir l’existence d’un pic plus élevé.

Les questions de la vie
Deux autres chercheurs, Venkatraman Ramakrishnan et Thomas Steitz, ont publié des données indépendantes sur la structure des ribosomes bactériens, chaque étude apportant sa contribution à la solution de la structure 3D du ribosome. Ada Yonath a continué d’étendre ses recherches sur la structure du ribosome et a publié de nombreuses études sur la relation entre ses composants structurels et son fonctionnement dans la traduction de l’information génétique en séquence d’acides aminés et la construction de la protéine. En 2009, ces trois scientifiques ont reçu le Prix Nobel de Chimie « pour des études de la structure et de la fonction du ribosome ».

Déchiffrer la structure du ribosome permet le développement d’antibiotiques plus efficaces et la création de nouveaux médicaments qui se lient à certaines régions du ribosome avec de plus grandes affinités, arrêtant ainsi la production de protéines dans les bactéries. Une meilleure compréhension du ribosome a tracé la route de la compréhension de maladies et de dysfonctionnements de cellules humaines.
Au-delà de son importance clinique, percer les secrets du ribosome pourrait nous éclairer sur certaines questions fondamentales sur la vie elle-même : comment les protéines sont-elles devenues les molécules les plus importantes dans l’émergence de la vie, et comment la production de protéines s’est-elle perfectionnée au cours de l’évolution. La jeune fille curieuse de Jérusalem apporte une partie des réponses à ces questions fascinantes.