Les bienfaits de la Station spatiale internationale pour l'humanité

Expérience sur la croissance de cristaux de protéines de grande qualité à bord du module Kibo

Le vaste univers et les protéines qui constituent notre corps ne sont pas aussi différents qu'on pourrait le croire – un « cristal » est la clé qui les lie entre eux. Les protéines du corps humain ont une structure tridimensionnelle complexe et l'espace est le meilleur environnement qui soit pour l'étude de ces structures. De récentes études menées au Japon, basées sur les travaux effectués à bord de la Station spatiale internationale, peuvent nous aider à créer des méthodes plus efficaces pour combattre les maladies.

Dans l'espace, il n'y a pas de convection qui cause des mouvements vers le haut, le bas, la droite ou la gauche en raison de différences de densité, ni de précipitation, action par laquelle les corps plus lourds se déposent au fond. Par conséquent, les molécules protéiques se forment de façon ordonnée et créent des cristaux de grande qualité utiles pour l'étude de leur structure. Différents cristaux ont été créés dans l'environnement particulier de l'espace.

Depuis 2003, l'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) a mené neuf sessions d'expériences de cristallisation des protéines dans le module de service russe Zvezda de la Station spatiale internationale et elle a mis au point une technologie pour la production de cristaux de protéines de grande qualité dans l'espace. Grâce à cette technologie, une série de six expériences a été entreprise dans le module Kibo en juillet 2009. On s'attend à ce que cette série se termine au début de 2013.

Avec l'aide de l'Agence spatiale fédérale russe (Roscosmos), des échantillons de protéines sont placés dans des unités cellulaires (figure 1) et envoyés à la station spatiale à bord d'un vaisseau russe Progress. Peu après l'amarrage, les échantillons sont apportés au module Kibo et placés dans le module de recherche sur la cristallisation des protéines (PCRF pour Protein Crystallization Research Facility, figure 2), où ils seront conservés pendant 2 à 4 mois à une température stable de 20 degrés Celsius (68 degrés Fahrenheit). La cristallisation est faite en employant la méthode des tubes capillaires en présence de gel, une technique de contre-diffusion dans laquelle du polyéthylèneglycol (PEG) ou une solution salée est diffusé dans la solution protéique séparée par une membrane poreuse à l'intérieur d'un tube. Par la suite, la concentration de polyéthylèneglycol dans la solution protéique s'accroît progressivement et finit par permettre la cristallisation de la protéine (figure 3).

progression de l'atrophie musculaire

Figure 1 – Unité cellulaire

L'unité cellulaire sert à l'incubation des protéines lorsqu'elle est installée dans le module de recherche sur la cristallisation des protéines (PCRF) à bord de la station spatiale. Elle sert aussi de contenant de transport pour les tubes capillaires à gel lors du chargement dans le véhicule cargo.

Module de recherche sur la cristallisation des protéines

Figure 2 – Module de recherche sur la cristallisation des protéines (PCRF)

Le module de recherche sur la cristallisation des protéines(PCRF pour Protein Crystallization Research Facility) est une charge utile à sous-bâti qui peut loger six unités cellulaires (un maximum de 144 protéines) tout en permettant le contrôle de la température. (Photo : JAXA (Agence d'exploration aérospatiale japonaise))

boîte de cristallisation

Figure 3 – Tube capillaire à gel (JCB)

Le tube capillaire à gel (JCB) contient douze capillaires de cristallisation. C'est un outil de cristallisation simple et économique. Il n'exige qu'une manipulation minimale de la part des astronautes à bord de la station. (Schéma : JAXA (Agence d'exploration aérospatiale japonaise))

D'éventuels nouveaux médicaments sont l'un des principaux objectifs des expériences portant sur la cristallisation des protéines. Les protéines qui causent les maladies et les médicaments qui permettent de les inhiber peuvent être comparés au « trou d'une serrure » et à la « clé correspondante ». Si l'examen de la structure des protéines permet de découvrir la forme du trou de serrure, le développement de traitements médicaux avec peu d'effets secondaires — la clé adaptée au trou de serrure — sera rendu possible. Grâce aux expériences réalisées dans l'espace, la JAXA fait des découvertes intéressantes dans le domaine des maladies opiniâtres qui, espère-t-on, permettra d'offrir des soins médicaux plus efficaces (figure 4).

La prostaglandine D synthase hématopoïétique (hPGDS) est un exemple de protéine qui a été cristallisée avec succès dans l'espace et qui pourrait être la clé permettant de traiter une maladie. La hPGDS est l'enzyme responsable de la production de la prostaglandine D2 synthase hématopoïétique (PGD2), un médiateur des réactions allergiques et inflammatoires. Récemment, une équipe de chercheurs de l'Institut des biosciences d'Osaka (OBI pour Osaka Bioscience Institute) a révélé que la hPGDS est exprimée dans les fibres musculaires nécrosées chez des patients atteints de la dystrophie musculaire de Duchenne (DMD). La DMD, une maladie musculaire héréditaire, est la forme de dystrophie musculaire la plus courante : elle frappe environ 1 garçon nouveau-né sur 3 500. Cette maladie entraîne une atrophie des muscles et accélère la progression de la dégénérescence musculaire. C'est une maladie tenace, contre laquelle on n'a encore découvert aucun traitement véritable. Toutefois, on croit que des inhibiteurs spécifiques de la hPGDS pourraient s'avérer utiles contre la dystrophie musculaire.

structure de la protéine liée à la maladie

Figure 4 – L'avantage de l'environnement spatial

Étant donné que la structure de la protéine liée à la maladie, le trou de serrure, est vague sur Terre, il est impossible de déterminer la forme de la clé à employer, ou quel médicament utiliser. Dans l'espace, il est possible de découvrir la structure de la protéine liée à la maladie et de mettre au point le médicament adapté au traitement (la clé adaptée au trou de serrure). (Schéma : JAXA (Agence d'exploration aérospatiale japonaise))

L'équipe de chercheurs de l'OBI a réussi à déterminer la structure tridimensionnelle de la hPGDS dans un complexe à l'aide d'un prototype d'inhibiteur spécifique à la hPGDS. La hPGDS a été cristallisée à plusieurs reprises en microgravité dans le cadre des expériences spatiales de la JAXA. Grâce à des analyses cristallographiques par rayons X – en utilisant des rayons X pour étudier la structure – des chercheurs ont pu établir la structure des complexes enzyme-inhibiteur diffractant à une résolution de 1,0 à 1,5 angströms dans l'espace et ils ont découvert un nouvel inhibiteur ayant une activité supérieure de plusieurs centaines de fois à celle de l'inhibiteur prototype (figure 5). Cette découverte permet de mieux comprendre le mode de liaison de la hPGDS aux inhibiteurs, ce qui facilitera la conception de médicaments. D'autres recherches visant à mettre au point des solutions pratiques sont en cours (figure 6).

protéine liée à la dystrophie musculaire

Figure 5 – Des cristaux de haute qualité de complexes enzyme-inhibiteur hPGDS (Prostaglandine D synthase hématopoïétique)

La structure détaillée de la protéine liée à la dystrophie musculaire est révélée par le biais d'une expérience réalisée dans l'espace. (Schéma : Osaka Bioscience Institute/MARUWA Foods and Biociences, Inc.)

Il y a plus de 100 000 protéines dans l'organisme humain et il y en aurait quelque 10 milliards dans la nature. Chaque structure est unique et contient de l'information importante pour notre santé et pour l'environnement à l'échelle planétaire. L'espace est le plus récent site de recherche biomédicale : les scientifiques y mènent des expériences qui seraient difficiles, voire impossibles à réaliser sur Terre, dans le but de mieux comprendre les structures des protéines. Diverses recherches effectuées à l'intérieur du module Kibo génèrent des cristaux de protéines de grande qualité, ce qui ouvre la voie à de nouvelles possibilités. La découverte de la structure des protéines joue un rôle important dans la compréhension des mécanismes de la vie.

progression de l'atrophie musculaire

Figure 6

Traitement contre la dystrophie musculaire.
La progression de l'atrophie musculaire est ralentie par un médicament potentiel efficace. (Schéma : Osaka Bioscience Institute)

Mika Masaki
Centre d'utilisation de l'environnement spatial (ou Space Environment Utilization Center )
JAXA