Le professeur Leslie Leiserowitz a été intrigué pour la première fois par le paludisme lorsqu'il était un jeune garçon en Afrique du Sud. Son père, qui parcourait le continent à la recherche de bois pour l'entreprise familiale, rapportait non seulement des histoires d'éléphants et de gorilles, mais aussi des éruptions cutanées et des bourdonnements d'oreilles, effets secondaires de la quinine qu'il prenait pour prévenir le paludisme. Des décennies plus tard, alors qu’il étudiait les cristaux à l’Institut des sciences Weizmann, Leiserowitz réalisa que le paludisme était en fait étonnamment pertinent pour ses recherches. Il a appris que le parasite du paludisme se développe à l’intérieur des globules rouges grâce à son talent pour fabriquer des cristaux, et il a entrepris d’étudier ces cristaux, s’associant plus tard à un collègue de la faculté de chimie, le professeur Michael Elbaum.
Une nouvelle étude – dirigée par Elbaum et Leiserowitz et menée en collaboration avec d'éminentes équipes de recherche du monde entier – a abouti à un article scientifique qui pourrait aider à déjouer le parasite du paludisme. Il révèle avec des détails sans précédent la structure des cristaux que le parasite construit pour survivre. Étant donné que l’on pense que la plupart des médicaments antipaludiques agissent en interférant avec la formation et la croissance de ces cristaux, les nouvelles découvertes pourraient conduire à de meilleurs médicaments antipaludiques.
« Il y a eu d'énormes progrès dans les technologies d'imagerie telles que la microscopie électronique et à rayons X, et nous avons réalisé que nous pouvions les appliquer pour faire quelque chose de bien pour l'humanité », explique Elbaum, expliquant comment cette recherche a vu le jour. « C'était une opportunité que nous ne pouvions tout simplement pas laisser passer. »
Voir le pigment du paludisme d'une toute nouvelle manière
Même si l’incidence du paludisme a été considérablement réduite au cours des deux premières décennies du 21St siècle, la maladie demeure un immense problème de santé mondial, tuant chaque année plus d’un demi-million de personnes, pour la plupart de jeunes enfants. Une grande partie des efforts d’éradication visent à contrôler les moustiques qui, par leurs piqûres, transmettent le parasite du paludisme – un organisme unicellulaire appartenant au genre Plasmodium. Les médicaments antipaludiques sont également essentiels à cet effort, mais bon nombre des médicaments existants ont perdu leur efficacité parce que les parasites y sont devenus résistants. Des médicaments améliorés pourraient aider à briser le cycle de passage du parasite des moustiques aux humains et inversement.
La production de cristaux est une astuce de survie utilisée par le parasite pour s’emparer des cellules sanguines. Cette manœuvre lui permet de se régaler d’hémoglobine, la protéine transportant l’oxygène dans le sang. La digestion de l'hémoglobine libère de l'hème, un complexe moléculaire contenant du fer nécessaire à la liaison de l'oxygène. Libéré de la protéine environnante, l’hème est cependant si réactif qu’il peut tuer le parasite. C'est précisément pourquoi Plasmodium réalise un coup de survie, dans lequel il rend l'hème inoffensif en l'emballant dans des cristaux de couleur foncée connus sous le nom de pigment du paludisme, ou plus techniquement, sous le nom d'hémozoïne. Lorsqu'il fut découvert au 19ème siècle, on pensait initialement que l'hémozoïne était produite par le corps du patient en réponse à l'infection, mais sa véritable origine – à travers les agissements du parasite – a finalement été comprise.
Dans ses premières études sur les cristaux d'hémozoïne, Leiserowitz était fasciné par leurs symétries, un sujet sur lequel il travaillait depuis de nombreuses années avec son collègue de Weizmann, le professeur Meir Lahav. Lorsqu'il est appliqué au paludisme, ce sujet devient une question de vie ou de mort : les différentes manières dont les molécules d'hème s'intègrent dans les cristaux créent non seulement différentes symétries, mais peuvent également affecter la croissance des cristaux, qui, à leur tour, peuvent sceller le sort du parasite. Cependant, ces nuances structurelles étaient trop subtiles pour être résolues par les méthodes de l’époque.
Entre-temps, Elbaum travaillait de manière indépendante sur Plasmodium sous un tout autre angle. Avec des collègues de l'Université hébraïque de Jérusalem, il étudiait Plasmodium cellules au cours de leur processus particulier de réplication. Alors que la plupart des cellules se divisent en se divisant en deux, le parasite du paludisme fait d’abord de nombreuses copies de ses composants dans un globule rouge, puis se divise instantanément en plusieurs parasites filles qui infectent ensuite de nouveaux globules sanguins. Lorsque les scientifiques ont exploré les noyaux cellulaires au cours de ce processus à l’aide de nouvelles méthodes de microscopie électronique 3D, les cristaux d’hémozoïne sont également apparus pleinement. Ainsi, lorsque Leiserowitz a présenté ses travaux sur ces cristaux lors d'une réunion de professeurs, la collaboration avec Elbaum était une conséquence naturelle.
La collaboration s’est avérée fructueuse dès le départ, en grande partie grâce à l’émergence de nouvelles technologies permettant de sonder la matière à l’échelle nanométrique. Dans leur toute première étude conjointe, les scientifiques ont apporté un nouvel éclairage sur la formation des cristaux grâce à la tomographie à rayons X doux, une méthode qu'Elbaum avait contribué à développer lors d'un congé sabbatique à Berlin. Ensuite, une nouvelle approche de la tomographie cryoélectronique développée par Elbaum avec des collègues de Weizmann a permis l'étude de cellules intactes dans lesquelles le pigment du paludisme est fabriqué.
Par chance, un nouveau laboratoire travaillant sur la biologie du parasite du paludisme a ouvert ses portes à Weizmann. Il a fourni à Elbaum et Leiserowitz des globules rouges infectés dont l'hémozoïne pouvait être extraite. Révéler la structure de ces cristaux naturels était crucial pour les applications médicales, en particulier parce que les connaissances structurelles existantes reposaient en grande partie sur les cristaux synthétiques plus facilement disponibles, utilisés dans la plupart des études antérieures sur l'hémozoïne.
Mais les cristaux n’ont pas révélé leurs secrets facilement. À la recherche des pièces du puzzle de la structure qui manquaient encore après une analyse tridimensionnelle détaillée chez Weizmann, Elbaum et Leiserowitz ont envoyé leurs échantillons de pigments à des collègues de l'Université d'Oxford et de la Diamond Light Source (le synchrotron national du Royaume-Uni) qui avaient installé un nouvelle méthode de cristallographie électronique qui a produit des images étonnantes du pigment. Après avoir terminé leur première analyse, les scientifiques britanniques ont suggéré de s'assurer la collaboration de chercheurs ailleurs.
« À partir de ce moment-là, la recherche s'est transformée en une sorte de course de relais, chaque laboratoire proposant d'impliquer des collègues possédant une expertise de haut niveau dans des domaines supplémentaires », se souvient Elbaum. « Le groupe s'est finalement élargi pour devenir une sorte d'équipe all-star pour des analyses de plus en plus sophistiquées. » En fin de compte, la liste des auteurs de l’étude comprenait 17 chercheurs d’Israël, du Royaume-Uni, d’Autriche, de République tchèque et des États-Unis. Autrement dit, il a fallu une coalition de certains des laboratoires les plus avancés au monde et une batterie de technologies les plus récentes pour découvrir le sens de la survie affiné au cours de l'évolution par un groupe de parasites sanguins unicellulaires.
Répondre à la question des vilains cristaux
Le résultat de cette collaboration internationale – une structure tridimensionnelle définitive, atome par atome, du pigment du paludisme – a fourni une multitude d’informations précieuses. Pour commencer, il a résolu une énigme générée par des études antérieures, dans lesquelles les scientifiques de Weizmann avaient observé des cristaux d'une forme trapézoïdale particulière qui ressemblait à un couperet de cuisine : l'extrémité de la « lame » était toujours lisse et tranchante, comme un ciseau, tandis que le « manche » » La fin était variable et souvent irrégulière.
« Nous nous demandions comment la nature pouvait produire quelque chose d'aussi laid : ces cristaux semblaient avoir été mordus sur un côté », se souvient Leiserowitz.
La structure détaillée a résolu le dilemme du couperet de cuisine. Les molécules d'hème s'intègrent par paires dans les cristaux de pigment du paludisme, mais comme les faces « avant » et « arrière » de ces molécules diffèrent chimiquement, elles peuvent s'associer les unes aux autres de quatre manières distinctes. En d’autres termes, il existe quatre éléments constitutifs hème distincts, ou unités de base, des cristaux d’hémozoïne. Deux d’entre eux sont symétriques, mais les deux autres sont chiraux, ce qui signifie qu’ils sont des images miroir l’un de l’autre et ne peuvent être superposés, comme la main gauche et la main droite. Lorsqu’ils se développent ensemble dans un seul cristal, le résultat peut être une surface atomiquement désordonnée, y compris une extrémité déchiquetée. Une telle compréhension claire des surfaces cristallines est essentielle à la conception ou à l’évaluation de médicaments qui doivent se lier au cristal pour inhiber sa croissance.
Les médicaments peuvent atteindre leur objectif de manière plus complexe que l’arrêt de la croissance des cristaux, mais cet arrêt est également vital pour ces autres effets. Leiserowitz explique la complexité en utilisant une analogie avec une usine automobile : « Imaginez que vous produisez, disons, 500 voitures par jour, mais qu'au bout de la ligne, les conducteurs qui doivent emporter ces voitures arrêtent de travailler, donc toutes ces voitures s'entassent. C'est exactement ce qui se produit lorsqu'un médicament empêche les molécules d'hème de rejoindre un cristal. Elles s'accumulent et bloquent les membranes, de sorte que rien ne peut entrer ou sortir, ce qui aide à tuer le parasite.
L’étude peut faciliter la conception de nouveaux médicaments en facilitant, par exemple, le calcul des interactions entre les cristaux et le médicament. De plus, les résultats ont clarifié quelles facettes des cristaux croissent plus rapidement que d’autres et ont identifié celles dont la croissance est la plus susceptible d’être inhibée par la liaison du médicament. Enfin, l’étude a révélé des différences subtiles mais essentielles entre les cristaux naturels et synthétiques du paludisme, ce qui souligne l’importance de concevoir de futurs médicaments sur la base d’informations structurelles sur les cristaux réels fabriqués par le parasite.
Elbaum a récemment présenté les résultats de l'étude lors du symposium « Leslie à 90 ans : une odyssée scientifique », organisé à Weizmann à l'occasion du 90e anniversaire de Leiserowitz.ème anniversaire. Bien sûr, la publication de l'article a coïncidé avec cet anniversaire marquant par simple hasard, mais elle a sûrement constitué une grande récompense pour les deux décennies de recherche de Leiserowitz sur le pigment du paludisme et pour son intérêt de toute une vie pour le paludisme.
Elbaum fait partie du département de physique chimique et biologique de Weizmann, et Leiserowitz, du département de chimie moléculaire et de science des matériaux. Les auteurs de l'étude comprenaient également le Dr Paul Benjamin Klar de l'Université de Brême, en Allemagne ; Dr David Geoffrey Waterman du Laboratoire Rutherford Appleton, Oxfordshire, Royaume-Uni ; Dr Tim Gruene de l'Université de Vienne ; Dr Debakshi Mullick du département de physique chimique et biologique de Weizmann ; Drs. Yun Song, James Boris Gilchrist et C. David Owen à la Diamond Light Source, Oxfordshire, Royaume-Uni ; le professeur Peijun Zhang de Diamond Light Source et de l'Université d'Oxford, Royaume-Uni ; Dr Wen Wen et professeur Noa Marom de l'Université Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, États-Unis ; Dr Idan Biran du département de chimie moléculaire et de science des matériaux de Weizmann ; Dr Lothar Houben du département de soutien à la recherche chimique de Weizmann ; le professeur Neta Regev-Rudzki du département des sciences biomoléculaires de Weizmann ; le professeur Ron Dzikowski de l'Université hébraïque de Jérusalem ; et le Dr Lukas Palatinus de l'Institut de physique de l'Académie tchèque des sciences, Prague, République tchèque.
Dans des études antérieures sur le pigment du paludisme, Elbaum et Leiserowitz avaient collaboré avec de nombreux autres scientifiques qui avaient apporté des contributions essentielles. Parmi eux se trouvaient le Dr Sergey Kapishnikov, aujourd'hui à l'University College Dublin et SiriusXT, à Dublin, en Irlande, et le professeur Jens Als-Nielsen de l'Université de Copenhague.
Elbaum a développé la tomographie électronique à transmission et balayage cryogénique (CSTET) en collaboration avec les Drs. Sharon G. Wolf et Lothar Houben du département de soutien à la recherche chimique de Weizmann.
Numéros scientifiques
L'année 2022 a vu près de 250 millions de cas de paludisme et plus de 600 000 décès dus au paludisme dans 85 pays, selon les estimations de l'Organisation mondiale de la santé. Les enfants de moins de 5 ans sont particulièrement vulnérables, représentant environ 4 décès sur 5 dus au paludisme.
Chaque globule rouge contient environ 1 milliard de molécules d'hème incorporées dans l'hémoglobine. Les plus petits cristaux détectables de pigment du paludisme, ou hémozoïne, contiennent environ 20 000 molécules d'hème, mais ils peuvent contenir des dizaines de millions de molécules d'hème.
La longueur des cristaux varie d'environ 100 à plus de 500 nanomètres. Étant donné que la longueur d’onde de la lumière visible commence à environ 400 nanomètres, les scientifiques étaient déjà capables d’observer de gros cristaux de paludisme ou des amas de plus petits avec des microscopes optiques il y a plus de 100 ans.
