Le prix Nobel de chimie vient d'être décerné à Osamu Shimomura, Martin Chalfie et Roger Y. Tsien pour la découverte et l'utilisation de la protéine fluorescente verte, la GFP. Identifiée dans les années 1960 chez une méduse, cette protéine permet aujourd'hui de rendre visible nombre de processus biologiques.
D'une atrocité...
L'histoire de ce Nobel est d'abord celle d'un hibakusha. C'est ainsi qu'au Japon, on surnomme les survivants des bombes atomiques américaines. Osamu Shimomura a 17 ans quand Fat Man, la première bombe à plutonium de l'histoire, détruit sa ville, Nagasaki, le 9 août 1945. Ironie de l'histoire, 11 ans plus tard, c'est une université américaine, celle de Princeton, qui le recrute.
À l'époque, il s'intéresse à une méduse américaine, Aequorea victoria, ou plus particulièrement à la lumière bleue-verte que celle-ci émet chaque fois qu'elle s'agite. Il se met alors en tête d'isoler la substance responsable de cette luminescence. « Un dessein qui ne peut être atteint qu'avec une très grande quantité de cette substance, explique Jean Salamero de l'équipe Compartimentation et dynamique cellulaires du CNRS. Il faut imaginer que, dans les années 1950, il n'existe aucune technique d'amplification moléculaire. Le seul moyen d'obtenir la quantité nécessaire à une telle purification, c'est de puiser assez de méduses dans le milieu naturel ».
À l'image du couple Curie qui, au début du siècle dernier, avait amassé des tonnes de roches – de pechblende – dans un hangar parisien pour isoler les premiers éléments radioactifs, Osamu Shimomura part sur la côte ouest américaine avec sa famille, ses amis et ceux de son confrère, Frank Johnson. Il trouve un hangar, met au point une machine à hacher menu les méduses et profite d'une prolifération de cette espèce, durant l'été 1961, pour passer à la moulinette près de 10 000 spécimens.
... à la lumière...
Le procédé est artisanal mais, au final, il parvient à isoler la fameuse protéine. Il baptise celle-ci « aequorine » en hommage aux milliers de méduses sacrifiées sur l'autel de la science et montre que cette molécule émet de la lumière bleue-verte lorsqu'elle entre en contact avec du calcium. Le calcium ne se diffusant dans l'organisme que quand celui-ci entre en mouvement, la luminescence n'apparaît que quand la méduse s'agite. Voilà. L'énigme est résolue. Pour autant, quelque chose chiffonne encore Osamu Shimomura. Dans chacun de ses isolats, il a relevé la présence, infime mais récurrente, d'un contaminant, une autre substance luminescente qu'il baptise « Green fluorescent protein » ou GFP. « Cette découverte relève du pur hasard, insiste Jean Salamero. Si Osamu Shimomura n'avait pas réuni autant de chair à méduse, il ne serait jamais parvenu à isoler la GFP ! La concentration de cette molécule est si faible dans cet organisme […] cela tient du miracle qu'elle ait pu être mise en évidence dans ces années-là ! » insiste le chercheur.
Dans les années 1970, il étudie la GFP et montre que, contrairement à l'aequorine, la GFP ne produit pas de la lumière en puisant de l'énergie dans une réaction chimique. La protéine porte en elle un chromophore, un groupe chimique qui absorbe et émet de la lumière. Ainsi, si des UV ou de la lumière bleue frappent le chromophore, celui-ci réémet une lumière verte. Il comprend alors que, dans la méduse, la GFP absorbe la lumière bleue de l'aequorine et émet une lumière verte.
…d’une danse sous microscope.
L'histoire aurait pu s'arrêter là. Mais non ! En 1988, Martin Chalfie, spécialiste de la physiologie d'un petit ver transparent, Caenorhabditis elegans, entend parler de la GFP lors d'une conférence à New York. Il comprend tout de suite l'intérêt de la substance luminescente. Elle pourrait servir de traceur, de mouchard. Si l'on parvient à attacher cette substance luminescente à d'autres protéines, on pourrait voir, suivre, le trajet de ces dernières dans l'organisme et, de fait, comprendre leur fonction ! Martin Chalfie demande alors à l'un de ses confrères, Douglas Prasher, d'isoler le gène codant pour la GFP. Celui-ci est inséré dans la bactérie Escherichia coli qui devient, en 1990, la première E. Coli luminescente de l'histoire. Martin Chalfie injecte ensuite ce gène dans des neurones impliqués dans la perception tactile de son nématode et, en 1994, publie dans la revue Science l'image étrange d'un nématode serti de deux traits luminescents : les neurones qui, chez cette espèce, sont impliqués dans le toucher. L'intuition de Martin Shalfie se révèle correcte. De plus, la méthode est non invasive : il suffit d'éclairer l'organisme avec une lumière UV ou bleue pour faire apparaître la danse des protéines marquées.
Peu après, Roger Tsein, le troisième Prix Nobel, développe des GFP de teintes différentes. L'observation sous microscope passe alors du « noir et vert » à la couleur. Un raffinement qui permet aux biologistes de suivre plusieurs protéines en même temps. Dès lors, les chercheurs peuvent suivre les interactions entre les protéines et encore mieux cerner leurs fonctions. « Ce fut une révolution, conclut Jean Salamero. Grâce aux GFP, on pouvait voir le trajet des protéines dans un organisme vivant, dans les trois espaces et dans le temps. On avait enfin une vision réelle du monde biologique… »