Les œuvres à l’aquarelle et à l’encre de David S. Goodsell utilisent les dernières recherches pour illustrer des virus, des protéines et bien plus encore.

Les fibres entrecroisées constituent la membrane basale, une structure qui soutient les tissus du corps. Il est composé de collagène (vert jaune), de laminine (molécules bleu-vert en forme de croix) et de protéoglycanes (vert foncé, à trois bras).

Une peinture bleue offre un aperçu du cytoplasme d’une cellule, où les filaments bleu clair constituent le cytosquelette, une structure qui offre un support flexible à la cellule. Les grosses molécules bleues sont les ribosomes, les structures responsables de la fabrication des protéines.

Des molécules trouvées dans le sérum sanguin, telles que des anticorps en forme de Y et de petites protéines albumines, envahissent la moitié supérieure de cette peinture. Dans la moitié inférieure, un globule rouge rempli d’hémoglobine (en rouge) apparaît.

Cette illustration montre une partie d’une cellule d’E. coli où la grande structure en forme de fouet appelée flagelle s’attache à la paroi cellulaire (en vert).

Goodsell représente la structure et les protéines qui composent une particule du virus Ebola à l’aquarelle et à l’encre.

Un virus VIH rose est attaqué par le système immunitaire lorsque de petits anticorps en forme de Y se lient à sa surface.

Dans l’une de ses plus grandes peintures, Goodsell montre le corps cellulaire entier d’une bactérie appelée Mycoplasma mycoides. La bactérie s’étend sur environ 300 nanomètres et regorge de nombreuses molécules, telles que l’ARN de transfert dans des brins d’ADN roses et entrecroisés.

Goodsell a parfois l’occasion d’en apprendre davantage sur les structures qu’il décrit au fur et à mesure des progrès de la recherche scientifique. Comparez cette peinture de 2002 du pore nucléaire, une structure qui assure le transport entre le noyau d’une cellule et le cytoplasme, avec la suivante dans cette galerie, réalisée en 2009.

En 2009, de nouvelles recherches ont permis à Goodsell de décrire l’enchevêtrement de structures protéiques qui remplit le centre d’un complexe de pores nucléaires.

Goodsell a collaboré avec Tim Herman de la Milwaukee School of Engineering et ses étudiants pour rechercher et créer cette peinture de signalisation cellulaire à l’aide d’une molécule appelée facteur de croissance endothélial vasculaire, VegF. Ce signal stimule les tissus à développer davantage de vaisseaux sanguins, mais lorsqu’une trop grande quantité est produite, il peut contribuer à des maladies telles que le cancer.

Dans cette aquarelle, le virus Zika (en rose) infecte une cellule (membrane cellulaire et récepteurs en vert, intérieur en bleu). Le plasma sanguin entoure les particules virales.

Goodsell a créé cette image générée par ordinateur plus détaillée du virus Zika complet, basée sur la structure déduite par Michael Rossman et ses collègues. La surface du virus est recouverte de protéines d’enveloppe étroitement emballées, comme de nombreux autres virus de la famille des flavivirus, notamment la dengue et le Nil occidental, écrit Goodsell pour le PDB.

Le virus Zika a explosé sur la scène mondiale l’année dernière lorsque les autorités sanitaires ont commencé à soupçonner qu’il pouvait provoquer des malformations congénitales chez les bébés. À l’instar de l’épidémie d’Ebola en 2014, la peur a rapidement pris de l’ampleur. La destruction provoquée par la maladie est profondément troublante, en partie parce que les particules de contagion sont invisibles.

Rendre quelque chose visible, c’est mieux le maîtriser, le rendre plus gérable. En mars de cette année, Michael Rossmann de l’Université Purdue dans l’Indiana et ses collègues ont cartographié ce que voulait Meghan Rosen. Actualités scientifiques décrit comme la « structure bosselée en forme de balle de golf » du Zika. Une fois la structure déduite, les scientifiques disposent désormais d’un point de départ pour savoir comment fonctionne le virus et s’il peut être arrêté. Les chercheurs rechercheront des points dans la structure qui pourraient constituer une cible pour un médicament.

Dans cette veine, mais avec une touche plus artistique, un autre scientifique a brossé une image de ce à quoi cela pourrait ressembler lorsque Zika infecte une cellule.

L’aquarelle de David S. Goodsell représente une zone d’environ 110 nanomètres de large, rapporte Maggie Zackowitz pour Radio Nationale Publique. C’est près de 1 000 fois plus petit que la largeur d’un cheveu humain typique. Dans le tableau, une sphère rose représentant le virus a été coupée en deux pour révéler des enchevêtrements de matériel génétique viral. Des protubérances charnues à la surface du virus saisissent des tours vertes encastrées dans une courbe vert clair qui semble enfermer un fouillis de bleu. Les protéines de surface du virus se lient aux récepteurs situés à la surface d’une cellule qu’il va bientôt infecter.

Les virus mortels n’ont jamais été aussi beaux que sous le pinceau de Goodsell. Le biologiste moléculaire, affecté conjointement au Scripps Research Institute de La Jolla, en Californie, et à la Rutgers State University dans le New Jersey, peint des formes aux couleurs vives et d’apparence spongieuse ressemblant à des bonbons, des ballons de football et des spaghettis qui se rassemblent et se mélangent. En tant qu’images abstraites, elles sont délicieuses, mais le travail de Goodsell est également fermement ancré dans la science.

Le scientifique-artiste fait des suppositions éclairées sur ses peintures. « Certains objets et interactions sont très bien étudiés et d’autres ne le sont pas », explique-t-il. « La science est encore un domaine en pleine croissance. » Mais son expertise lui permet de manier le pinceau en toute confiance.

La visualisation du monde biologique microscopique a d’abord intrigué Goodsell lors de ses études supérieures, lorsqu’il s’est appuyé sur des techniques telles que la cristallographie aux rayons X pour déduire les plis, les torsions et les contorsions des protéines et des acides nucléiques.

La structure est essentielle pour donner aux molécules dans les cellules leur fonction, qu’il s’agisse d’enzymes qui clivent d’autres molécules, de brins d’ARN qui commandent la construction de protéines ou de fibres qui soutiennent et façonnent les tissus. Les poches dans les protéines offrent des endroits où d’autres molécules peuvent se lier et catalyser ou empêcher des réactions. Lorsque Rosalind Franklin a réussi à capturer la première image de l’ADN, en utilisant la cristallographie aux rayons X, James Watson et Francis Crick ont ​​rapidement pu déduire comment l’ouverture de la double hélice pouvait fournir un modèle pour la réplication du matériel génétique.

« Si vous vous trouvez à l’extérieur d’une automobile et que le capot est fermé pour que vous ne puissiez pas voir le moteur, vous n’avez aucune idée du fonctionnement de la machine », explique Stephen K. Burley, chercheur qui étudie la protéomique à l’Université Rutgers. Les cellules elles-mêmes sont des machines minuscules et complexes, et pour comprendre comment elles fonctionnent ou quels éléments et processus tournent mal sous l’influence d’une maladie, il faut jeter un coup d’œil sous le capot.

C’est pourquoi Goodsell avait besoin de comprendre comment les molécules étaient façonnées ainsi que comment elles s’assemblaient à l’intérieur de la cellule.

L’infographie faisait tout juste son entrée sur la scène des laboratoires de recherche au milieu des années 1980 et offrait à des scientifiques comme Goodsell, aujourd’hui âgé de 55 ans, un aperçu sans précédent des molécules qu’ils étudiaient. Mais même les meilleurs programmes ont eu du mal à montrer toutes les subtilités d’une seule molécule. « Les objets de la taille d’une protéine représentaient un véritable défi », dit-il. Visualiser plusieurs protéines et leur place par rapport aux structures cellulaires dépassait les capacités matérielles et logicielles de l’époque.

« Je me suis dit : à quoi cela ressemblerait-il si on pouvait faire exploser une partie de la cellule et voir les molécules ? » dit Goodsell. Sans les capacités graphiques informatiques de grande puissance d’aujourd’hui, il s’est littéralement tourné vers la planche à dessin pour rassembler toutes les connaissances possibles sur la structure et créer cette image de l’intérieur encombré d’une cellule. Son objectif était « de revenir à une vision globale de la science », dit-il.

Les images qu’il crée se veulent des illustrations scientifiques, pour inciter les chercheurs et le grand public à réfléchir aux structures qui sous-tendent les réactions chimiques et les fonctions cellulaires.

En règle générale, Goodsell passe quelques heures à parcourir la littérature scientifique pour apprendre tout ce que les chercheurs savent sur le sujet qu’il souhaite illustrer. Ensuite, il réalise un grand croquis au crayon à partir de ce qu’il a appris. Le papier carbone l’aide à transférer ce croquis sur du papier aquarelle. Les molécules à l’intérieur des cellules sont souvent plus petites que la longueur d’onde de la lumière, donc une vue réelle d’un paysage moléculaire serait incolore, mais Goodsell ajoute de la couleur et des ombres pour aider les gens à interpréter ses peintures. Le résultat est une vue détaillée de la machinerie moléculaire à l’œuvre.

Dans une peinture sur Ebola, par exemple, le virus ressemble à un énorme ver levant la tête. Le virus a volé les composants d’une membrane cellulaire d’une cellule infectée, représentée en violet clair, écrit Goodsell pour la ressource en ligne, la Protein Data Bank (PDB) du RCSB. Les têtes de brocoli turquoise recouvrant l’extérieur de cette membrane sont des glycoprotéines, qui peuvent s’accrocher à la surface d’une cellule hôte et attirer la particule virale suffisamment près pour que son matériel génétique (en jaune, protégé par la nucléoprotéine verte) puisse être poussé à l’intérieur. Ces glycoprotéines constituent une cible majeure des médicaments destinés à lutter contre le virus.

Le tableau a remporté cette année les Wellcome Image Awards, un concours qui attire des experts en illustration et visualisation scientifiques du monde entier.

Le tableau Ebola et de nombreuses autres images de Goodsell sont conservés au PDB, sous la supervision de Burley, le directeur du dépôt. La PDB contient plus de 119 000 structures de protéines, d’ARN, d’ADN et d’autres molécules. Quelques statistiques démontrent l’importance de la structure pour les biologistes : environ 1,5 million de téléchargements d’informations structurelles 3D détaillées provenant de la banque de données sont effectués chaque jour. Au cours des quatre dernières années, des habitants de 191 des 194 États indépendants reconnus dans le monde ont accédé à cette ressource.

En juillet, Goodsell publiera sa 200e « Molécule du mois », une série présentant ses représentations de protéines et d’autres molécules ainsi qu’une explication écrite de la fonction et de l’importance des structures.

Le travail de Goodsell contribue à sensibiliser les étudiants du secondaire et d’autres personnes aux structures à l’origine des particules pathogènes et des problèmes de santé qui font l’objet de l’actualité. Pour la série dite PDB-101, ses molécules aident les étudiants à mieux comprendre les mécanismes à l’origine du diabète de type 2 ou du saturnisme. Il a prochainement une peinture à grande échelle qui couvrira le cycle de vie du virus VIH.

Même les experts peuvent tirer des leçons des illustrations de Goodsell. Au début, il se souvient avoir fait le tour de l’institut pour demander à ses collègues à quel point, selon eux, il y avait du monde dans une cellule. Les estimations qu’il a reçues étaient très diluées. Ce n’est que lorsqu’il a pris du recul pour regarder la situation dans son ensemble qu’il est devenu évident que les cellules sont très denses et complexes.

« Je ne connais pas beaucoup d’autres personnes qui opèrent comme (Goodsell) », déclare Burley. Le travail de Goodsell allie interprétation artistique et connaissance scientifique. « Il est capable de raconter davantage l’histoire de la structure 3D à la main qu’avec l’infographie. C’est, je pense, la vraie beauté de son travail. »

Le travail de Goodsell peut être vu dans la banque de données sur les protéines RCSB « Molécule du mois« série et sur son site internet. Son site Web fournit également plus de détails sur certaines des images contenues dans cet article.

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