Début du développementEdit
Dans les années 1960, l’utilisation de la microscopie électronique à transmission pour les méthodes de détermination de la structure était limitée en raison des dommages par rayonnement dus aux faisceaux d’électrons à haute énergie. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que l’examen des spécimens à basse température réduirait les dommages causés par les rayonnements induits par les faisceaux. L’hélium liquide (-269 °C ou 4 K ou -452,2 °F) et l’azote liquide (-195,79 °C ou 77 K ou -320 °F) ont été considérés comme des cryogènes. En 1980, Erwin Knapek et Jacques Dubochet ont publié des commentaires sur l’endommagement du faisceau à des températures cryogéniques partageant les observations suivantes :
On a constaté que les cristaux minces montés sur un film de carbone étaient de 30 à 300 fois plus résistants au faisceau à 4 K qu’à température ambiante…. La plupart de nos résultats peuvent être expliqués en supposant que la cryoprotection dans la région de 4 K dépend fortement de la température.
Cependant, ces résultats n’étaient pas reproductibles et des amendements ont été publiés dans Nature juste deux ans plus tard informant que la résistance au faisceau était moins importante que prévu initialement. La protection obtenue à 4 K était plus proche du « décuplement pour les échantillons standard de L-valine », que ce qui avait été précédemment déclaré.
En 1981, Alasdair McDowall et Jacques Dubochet, scientifiques au Laboratoire européen de biologie moléculaire, ont rapporté la première mise en œuvre réussie de la cryo-EM. McDowall et Dubochet ont vitrifié de l’eau pure en couche mince en la pulvérisant sur un film de carbone hydrophile qui a été rapidement plongé dans du cryogène (propane liquide ou éthane liquide refroidi à 77 K). La fine couche de glace amorphe avait une épaisseur inférieure à 1 µm et un diagramme de diffraction électronique a confirmé la présence de glace amorphe/vitreuse. En 1984, le groupe de Dubochet a démontré la puissance de la cryo-EM en biologie structurale avec l’analyse de l’adénovirus de type 2 vitrifié, du bactériophage T4, du virus de la forêt de Semliki, du bactériophage CbK et du Vesicular-Stomatitis-Virus.
Prix Nobel de chimie 2017Edit
En 2017, trois scientifiques, Jacques Dubochet, Joachim Frank et Richard Henderson, ont reçu le prix Nobel de chimie pour avoir développé une technique qui permettrait d’imager les biomolécules.
Rival potentiel de la cristallographie aux rayons XEdit
Au 27 octobre 2020, la cristallographie aux rayons X a été utilisée pour imager 150494 échantillons biologiques et est la technique dominante en microscopie biologique, la cryo-EM étant loin derrière avec seulement 6016.
Cependant, selon Nature, les progrès des détecteurs d’électrons directs (souvent appelés dispositifs de détection directe ou DDD) à l’Université de Cambridge et l’automatisation de la production d’échantillons par SPT labtech ont conduit à une augmentation de l’utilisation dans les domaines biologiques, faisant de la Cryo-EM un rival potentiel.
La résolution de la cristallographie aux rayons X est limitée par la pureté des cristaux, et la création de ces échantillons prend beaucoup de temps, jusqu’à des mois, voire des années. De plus, certaines protéines sont difficiles à cristalliser. Bien que la préparation des échantillons pour la cryo-EM soit encore laborieuse, elle ne présente pas ces problèmes car elle observe l’échantillon dans son » état natif « .
Selon Proteopedia, la résolution médiane atteinte par la cristallographie aux rayons X (au 19 mai 2019) sur la Protein Data Bank est de 2.05 Å, et la résolution la plus élevée atteinte dans les archives (au 27 octobre 2020) est de 0,48 Å. En 2020, la majorité des structures protéiques déterminées par Cryo-EM sont à une résolution inférieure de 3-4 Å. Cependant, les meilleures résolutions Cryo-EM approchent 1,5 Å, ce qui en fait un concurrent équitable en matière de résolution dans certains cas.