Reconstruction tomograpHique pour la cro-micrOscopie électronique d'objets DéformablES – RHODES

L'étude des fonctions des macromolécules dans la cellule est très utile pour comprendre la vie cellulaire et les maladies virales telles que le SIDA. Ces fonctions sont liées à la structure 3D de la macromolécule et de ses déformations. Ces déformations correspondent à une suite d'états, qu'on appelle conformations de la macromolécule. Ainsi, déterminer les déformations de macromolécules est un point clé pour le progrès de la médecine.

La Cryo-Microscopie électronique (CM) est l'un des les principales modalités d'imagerie pour étudier les macromolécules (1 000-10 000 atomes). Les données de CM se composent d'un grand nombre d'images (10 000-1 000 000) comportant chacune la projection tomographique d'un spécimen isolé de la même macromolécule. Pour ces images, l'orientation et la déformation correspondant au spécimen observé ne sont pas connus et font donc partie des inconnues du problème de reconstruction.
Par conséquent, la reconstruction d'un objet 3D à partir d'images obtenues par CM est un problème difficile avec un intérêt biologique important. En effet, la résolution des volumes 3D reconstruits par CM est de l'ordre du nanomètre.

Actuellement, les méthodes de reconstruction sont basées sur la classification des projections dans un nombre fini de classes distinctes correspondant aux différentes orientations de l'objet, qui sont ensuite subdivisées en sous-classes correspondant aux différentes conformations. Cependant, ces méthodes ne sont pas adaptées au cas où la déformation de la macromolécule est continue et ne permettent pas de reconstruire l'ensemble des états intermédiaires. Pour traiter ce cas, nous proposons dans le projet «Reconstruction tomograpHique pour la cryo-micrOscopie électronique d'objets DéformablES" (RHODES) de modéliser la suite continue des volumes 3D de la macromolécule comme un ensemble continu V. La dimension de V est la somme des trois dimensions de l'espace et les dimensions correspondant aux paramètres de déformation.

Deux pistes sont proposées pour reconstruire l'ensemble continu V des volumes de la macromolécule : a) une méthode basée sur une réduction de dimension pour estimer les paramètres des images acquises suivi d'une reconstruction de V à partir de ces paramètres ; b) une méthode basée sur la minimisation d'un coût évaluant les paramètres de reconstruction et le volume reconstruit.
Plusieurs étapes sont nécessaires pour cette étude, en plus de la mise en œuvre de deux méthodes de reconstruction : le développement de données simulées pour contrôler le bruit et les déformations, l'acquisition de données réelles, puis des tests et validations sur des données simulées et réelles.

Les algorithmes et les données produites au cours du projet RHODES seront utilisés pour reconstruire trois macromolécules présentant des déformations continues. D'abord, le ribosome (qui est bien étudié et sera utilisé pour valider les méthodes élaborées), et deux macromolécules qui ont un fort intérêt biologique mais pour lesquels le déformation continue est la principale limite à la résolution spatiale des volumes 3D reconstruits :
- l'intégrase du virus de l'immunodéficience humaine (le virus causant le SIDA),
- le facteur de transcription TFIID.

Parmi les neuf chercheurs impliqués dans le projet RHODES, six sont des informaticiens experts en traitement de l'image. Ils vont développer des méthodes de reconstruction adaptées au cas de la déformation spatiale continue en appliquant les méthodes décrites ci-dessus. Les trois autres chercheurs sont des experts en biologie structurale. Ils participeront à l'élaboration et à la validation des techniques développées et vont acquérir des données réelles nécessaires à la reconstruction du volume des 3 macromolécules choisies.