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Posté par Michel le Vendredi 03/08/2012 à 00:00
Des polymères aux effets hydratants
Pas de vie sans eau ? Ce dogme de la biologie est remis en cause par l'observation de protéines actives lorsqu'elles sont enrobées de certains polymères. Une équipe internationale impliquant notamment des chercheurs du CEA, du CNRS et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Joseph-Fourier vient de mettre en évidence les caractéristiques permettant à ces polymères de maintenir en activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des protéines, au même titre que l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Les analyses ont été réalisées sur un nano-hybride, un système biologiquement actif en l'absence d'eau et composé d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons...), la myoglobine, entourée d'une couche de polymères. Les chercheurs ont étudié séparément la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de chacun des constituants et ont montré comment ces polymères peuvent remplacer l'eau pour lubrifier la protéine et lui permettre des mouvements essentiels à son fonctionnement.

Ces résultats pourraient ouvrir de nouveaux champs d'applications dans l'industrie, en pharmacologie et en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à...). Ils sont publiés en ligne le 2 août par le Journal of the American Chemical Society.


Malgré l'absence d'eau dans son environnement, la myoglobine (en rouge),
enrobée d'une couche de polymères particuliers (en gris) conserve sa fonctionnalité biologique.
© Journal of the American Chemical Society

Indispensables à la vie (La vie est le nom donné :) des cellules, les protéines actives sont de véritables machines moléculaires. Elles peuvent accélérer la vitesse (On distingue :) de réactions chimiques, soutenir les tissus, stocker et transporter des substances essentielles, assurer la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine...) entre cellules et défendre l'organisme contre les corps étrangers. Les protéines possèdent en grande majorité une structure tridimensionnelle bien définie et des mouvements intrinsèques appropriés nécessaires à leur fonctionnement biologique. Certains facteurs comme la déshydratation cellulaire, ou encore le changement brutal de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...), peuvent entraîner une inactivation des protéines: elles ne sont alors plus fonctionnelles et peuvent mener, à terme, à la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes...) cellulaire.

Il était admis qu'une protéine ne pouvait être fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions. Initialement, le terme désignait les fonctions qui en prennent...) en l'absence d'eau dans son environnement. En 2010, une équipe anglaise de l'Université de Bristol a réussi à créer un nano-hybride, constitué d'une protéine, la myoglobine, encapsulée par des polymères. Ces derniers ont créé une couche autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de la protéine, d'où l'eau était totalement absente, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en la maintenant fonctionnelle. Cependant, la raison pour laquelle les polymères permettaient de conserver la fonction biologique intacte de la protéine restait un mystère.

Une équipe internationale impliquant des chercheurs du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'Université Joseph-Fourier, de l'Université de Bristol (Royaume-Uni), de l'Université Nationale Australienne et du Forschungszentrum Jülich (Allemagne), a alors étudié la dynamique de ce nano-hybride par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) de neutrons produits par un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne est initiée, modérée et contrôlée par l'humain — ou par la...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...). De manière à analyser séparément la myoglobine et la couche de polymères sans altérer l'intégrité du système, l'équipe a eu recours à une astuce. Ils ont marqué la protéine avec du deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) (un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau...) de l'hydrogène). Une fois marquée, la myoglobine devient invisible "aux yeux" des neutrons, permettant ainsi d'observer uniquement la dynamique de la couche de polymères. Inversement, l'utilisation de polymères marqués au deutérium permet de n'observer que la dynamique de la myoglobine.

Grâce à la combinaison (Une combinaison peut être :) des techniques de marquage isotopique et de diffusion de neutrons, les chercheurs ont pour la première fois pu montrer que ces polymères possèdent une dynamique équivalente à celle des molécules d'eau autour des protéines. D'autre part, ils ont montré que la myoglobine présente dans le nano-hybride possède une dynamique similaire à celle d'une protéine qui serait normalement hydratée. Au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) de ce système, la myoglobine reste donc fonctionnelle malgré l'absence d'eau: les polymères jouent ainsi le rôle de lubrifiant pour les mouvements de la protéine, mission normalement remplie par les molécules d'eau dans un environnement physiologique.

Rendre des protéines fonctionnelles en l'absence d'eau pourrait ouvrir un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de travail dans plusieurs secteurs industriels. En effet, la présence d'eau reste un handicap (On nomme handicap la limitation des possibilités d'interaction d'un individu avec son environnement, causée par une déficience qui provoque une incapacité, permanente ou non et qui mène à un stress et à...) dans bien des situations, comme la conservation de solutions de protéines (dégradation) ou la création de médicaments à forte concentration en principe actif (agrégation). A terme, il serait possible de manipuler facilement un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de protéines nécessaires au développement d'applications dans l'industrie, en pharmacologie, et en médecine.


Notes:

(1) L'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) de Biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) Structurale (CEA/CNRS/Université Joseph-Fourier).

(2) L'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un organisme de recherche international, il a été fondé en 1967 par la France et...) (Grenoble).

(3) Protéine impliquée dans le stockage de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dans les muscles.

(4) Deux réacteurs ont été utilisés ici: le réacteur (Un réacteur peut désigner :) de recherche à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) localisé au sein de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble (France) et le réacteur de recherche FRM II à Garching, près de Munich (Allemagne).

(5) Préparation effectuée au laboratoire de deutération de l'Institut Laue-Langevin.

(6) Du fait de ses propriétés particulières, le deutérium affaiblit le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) mesuré quand il remplace l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), jusqu'à le "masquer"


Référence:

A Polymer Surfactant Corona Dynamically Replaces Water in Solvent-Free Protein Liquids and Ensures Macromolecular Flexibility and Activity - François-Xavier Gallat, Alex P. S. Brogan, Yann Fichou, Nina McGrath, Martine Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire...), Michael Härtlein, Jérôme Combet, Joachim Wuttke, Stephen Mann, Giuseppe Zaccai, Colin J. Jackson, Adam W. Perriman, and Martin Weik. Journal of the American Chemical Society, Aou/02/2012
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Source: CEA