Extraction de structure dynamique 3D à partir d’images HS-AFM

Permettant l’observation directe de biomolécules en action dynamique, l’AFM à grande vitesse a ouvert une nouvelle voie pour la biologie structurale dynamique. Un nombre écrasant d’applications réussies développées au cours des 15 dernières années fournissent des informations uniques sur les processus biologiques fondamentaux à l’échelle nanométrique – en visualisant, par exemple, comment les moteurs moléculaires remplissent leurs fonctions spécifiques.

Une limitation intrinsèque de l’imagerie AFM est que seule une topographie superficielle peut être obtenue et que la pointe AFM est trop grande pour résoudre les détails en dessous de l’échelle nanométrique. Pour faciliter l’interprétation et la compréhension des observations HS-AFM, l’analyse post-expérimentale et les méthodes de calcul jouent un rôle de plus en plus important.

Dans leur article de synthèse publié dans Opinion actuelle en biologie structuraleet Holger Flechsig (NanoLSI, Computational Science), et Toshio Ando (NanoLSI Distinguished Professor) donnent un aperçu des développements dans ce domaine d’actualité de la recherche interdisciplinaire. La modélisation et les simulations informatiques permettent déjà de reconstruire des conformations 3D avec une résolution atomique à partir d’images AFM topographiquement limitées. En outre, les méthodes d’analyse quantitative permettent l’identification automatisée des changements de forme biomoléculaire à partir d’images topographiques, ou des personnalisations de fonctionnalités, y compris l’identification des résidus d’acides aminés sur la surface moléculaire.

Les méthodes de calcul développées sont souvent mises en œuvre dans des logiciels en libre accès, permettant des applications pratiques par la vaste communauté Bio-AFM pour compléter les observations expérimentales. À cet égard, le projet de logiciel BioAFMviewer qui a débuté à l’Université de Kanazawa en 2020 a reçu une grande attention et joue un rôle important dans un grand nombre de projets collaboratifs.

La combinaison de l’AFM à grande vitesse et de la modélisation informatique augmentera le niveau de compréhension du fonctionnement des protéines dans les détails atomiques. Un objectif futur ambitieux est d’appliquer la modélisation moléculaire pour reconstruire des films moléculaires 3D au niveau atomique à partir de films topographiques AFM à grande vitesse.