Les protéines fluorescentes telles que la GFP (Green Fluorescent Protein) sont issues d'organismes marins comme des méduses ou des coraux, et sont utilisées comme marqueurs en microscopie de fluorescence. Greffées sur une cible biologique, elles émettent, lorsqu'elles sont éclairées, un signal de fluorescence qui permet d'identifier la cible au sein de l'échantillon.

Certaines protéines fluorescentes, dites photo-transformables, ont la particularité de changer de conformation quand elles sont éclairées à une longueur d'onde spécifique, ce qui modifie leur fluorescence (couleur ou intensité). Cette propriété constitue la clé permettant d'accéder à la microscopie de fluorescence super-résolution.

Jusqu'à présent, la cristallographie aux rayons X était la principale technique utilisée pour étudier les propriétés photo-physiques des protéines fluorescentes. Cependant, cette technique ne permet pas de comprendre comment ces propriétés dépendent de l'environnement physico-chimique, par exemple au sein d'une cellule biologique.

Pour mieux saisir le comportement des protéines fluorescentes photo-transformables, des chercheurs de l'Institut de biologie structurale (IBS) ont mis en œuvre la spectroscopie RMN en phase liquide, couplée à un dispositif d'illumination in situ. Ils se sont intéressés à la protéine rsFolder, un marqueur développé à l'IBS il y a quelques années, particulièrement adapté aux compartiments cellulaires oxydants comme le reticulum endoplasmique ou l'espace inter-membranaire d'une mitochondrie.

Ils ont ainsi pu accéder à de nouvelles données inédites :

• la dynamique conformationnelle,
• les états de protonation et les liaisons hydrogène du fluorophore et des acides aminés situés à proximité,
• leur dépendance aux conditions physico-chimiques (pH, température, etc.).

Ils ont identifié la signature RMN des quatre configurations distinctes de son fluorophore, associées à deux isomères (cis et trans), chacun étant soit protoné (neutre), soit déprotoné (anion).

Les populations relatives et les cinétiques d'interconversion de ces quatre états fluorophoriques sont dépendantes du pH de l'échantillon et plus généralement, de la composition du milieu environnant. Ces paramètres modifient de manière complexe la force des liaisons hydrogène qui contribuent à stabiliser le fluorophore dans la matrice protéique. Les chercheurs ont pu identifier le rôle important que joue un acide aminé (l'histidine) en position 149 de la protéine pour stabiliser le fluorophore dans sa configuration trans à certaines valeurs de pH.

Ces résultats pourraient être exploités pour concevoir et tester de nouvelles protéines fluorescentes photo-transformables plus stables face à des changements environnementaux.