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Posté par Isabelle le Lundi 09/10/2017 à 12:00
Le stress mécanique détermine la forme des virus
La forme d'un virus, donnée par sa coque ou capside, peut être régulière et compacte, à la façon d'un icosaèdre, ou bien irrégulière et allongée, comme un cône. Des chercheurs ont démontré que cette forme dépend d'une propriété intrinsèque des protéines qui constituent la coque: la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est une mesure quantitative du caractère « plus ou moins courbé » de cet...) spontanée.


Schéma reproduisant la croissance de la surface protéique, chaque triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle » est justifiée...) étant associé à une seule protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine lorsque la...). La surface formée d'hexagones comprime les triangles à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet...), produisant un stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un...) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui...). Ce stress est relaxé par l'inclusion de pentagones, lorsque la courbure est forte, ou par une croissance le long d'un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et...), lorsque la courbure est faible. Source des deux images de droite: The Protein Data Bank H.M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T.N. Bhat, H. Weissig, I.N. Shindyalov, P.E. Bourne (2000) Nucleic Acids Research, 28: 235-242. doi:10.1093/na/28.1.235 ; rcsb.org

Les virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme...) biologiques sont constitués essentiellement par un génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le...) et un assemblage spontané de protéines virales, sous la forme de coques fermées appelées capsides dont un des rôles est de protéger le génome du virus. Les formes générales de ces capsides virales sont soit très régulières et compactes, reproduisant alors une forme d'icosaèdre (Un icosaèdre est un polyèdre à 20 faces. Le préfixe icosa-, d'origine grecque, fait référence au nombre de faces.) pour un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de virus, soit plutôt irrégulières et allongées, avec par exemple une forme conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières différentes, toutes équivalentes entre elles.) pour le virus associé au SIDA, le virus de l'immunodéficience humaine (VIH-1). (Illustration icosaèdre et cône).

Quelle est la propriété, à l'échelle de la protéine, responsable du choix de la forme globale du virus ? Pour répondre à cette question, une équipe du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) de l'ENS de Lyon a modélisé l'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique....) associée à la formation de la capside virale. Elle a mis en évidence le rôle déterminant de la courbure spontanée, propriété intrinsèque de la surface protéique qui traduit sa tendance à adopter une certaine courbure.

En l'absence de courbure spontanée, les protéines forment localement des hexagones en s'associant par six au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en...) d'une surface globalement plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la...). En revanche, la présence de courbure spontanée va, lors de la croissance initiale de la coque, comprimer les protéines les unes contre les autres créant ainsi un stress mécanique très important. L'équipe de chercheurs de Lyon a montré que ce stress mécanique peut être relaxé de deux manières différentes.

Lorsque la courbure spontanée est forte, certaines protéines vont former localement des pentagones et donc s'assembler par cinq, plutôt que des hexagones, permettant ainsi de courber plus facilement la surface. Cela se comprend bien en modélisant géométriquement une protéine par un triangle équilatéral. Un hexagone (Un hexagone (du grec hexi = six et gonia = angle) est un polygone à six sommets et six côtés. Les angles internes d'un hexagone régulier...) formé de six triangles identiques est plan, alors qu'un pentagone formé de cinq triangles identiques forme plutôt un cône, donc une surface courbée. L'inclusion de ces pentagones va ainsi permettre la formation d'un icosaèdre.

En revanche, lorsque la courbure spontanée est faible, les protéines vont s'assembler en cylindre. Au sein de cette géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis...), elles peuvent alors former une surface courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles...) qui ne les comprime pas. La croissance de la capside se fera ainsi de façon allongée et cylindrique.

La compréhension de ces mécanismes fondamentaux d'assemblage de virus peut avoir des applications qui dépassent la virologie, comme l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou...) de nano-matériaux à base de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), pour lesquels les géométries d'assemblage sont similaires: arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) hexagonal plat pour le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), icosaèdres pour les fullerènes, ou encore cylindres pour les nanotubes.

Référence publication:
Viral self-assembly pathway and mechanical stress relaxation
M. Castelnovo
Physical Review E (2017), doi:10.1103/PhysRevE.95.052405

Contact chercheur:
Martin Castelnovo, chargé 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 recherche...) 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).)

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Univ. Lyon 1)

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Source: CNRS-INP