La bactériorhodopsine absorbe la lumière et transporte des protons à travers les membranes cellulaires, pour créer un différentiel de charge utilisé pour générer l'énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule. Les chercheurs se sont longtemps interrogés sur le mécanisme d'expulsion des protons, qui se fait de façon unidirectionnelle, de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule. Pour le découvrir, un consortium international de chercheurs incluant un scientifique de l'IBS, Antoine Royant, a utilisé le laser à électrons libres SACLA localisé au Japon, qui produit un faisceau de rayons X un million de fois plus intense que ceux des sources synchrotron, pourtant déjà très intenses. Les rayons X de SACLA présentent la particularité d'être générés pendant un temps extrêmement court, un centième de milliardième de seconde (une dizaine de femtosecondes).
Les chercheurs ont utilisé une technique appelée cristallographie sérielle femtoseconde en temps résolu, avec laquelle ils ont enregistré des dizaines de milliers d'images de la bactériorhodopsine après un intervalle de temps variant entre la nanoseconde et la milliseconde. En analysant les données, ils ont pu décrypter le mécanisme d'expulsion des protons hors de la cellule, dans un milieu chargé plus positivement. A l'instar d'une pile, c'est ce différentiel de charges qui permet d'alimenter les réactions chimiques qui font vivre la cellule.
« Cette expérience nous a permis de confirmer les hypothèses proposées au début des années 2000 sur les premières étapes du mécanisme, mais surtout de visualiser en temps réel les différents mouvements atomiques au sein de la bactériorhodopsine et comprendre comment ils s'enchaînent », explique Antoine Royant. L'excitation lumineuse entraîne un changement de configuration du rétinal (une forme de la vitamine A), la molécule colorée située au cœur de la protéine. Ce changement force une molécule d'eau à s'en aller, puis un ensemble de réarrangements structuraux de la protéine entraîne l'expulsion d'un proton du côté extracellulaire de la protéine.
« Nous avons enfin compris comment les changements au voisinage du rétinal empêchent le proton de retraverser la protéine. Ce résultat permet d'envisager de comprendre à un très grand niveau de détail le mécanisme de protéines, et donc d'être capables de les utiliser à notre profit », conclut le chercheur.