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L'électroporation est une technique bien établie qui permet de surmonter la barrière de la membrane cellulaire. Une brève impulsion électrique perce la membrane, permettant ainsi la délivrance de substances thérapeutiques à l'intérieur des cellules: médicaments, ADN et bien d'autres biomolécules. Mais cette technique, qui représente un marché de plusieurs milliards de dollars, repose étonnamment sur de maigres connaissances fondamentales.
Dans un article qui vient d'être publié dans la revue PNAS, une équipe du CNRS et ses collègues de l'Université de Fribourg-en-Brisgau dévoile un vaste ensemble de nouvelles données sur la formation de pores dans les membranes lipidiques sous champ électrique. Ces résultats montrent non seulement que les modèles de formation de pores existants ne peuvent rendre compte des observations, mais suggèrent également un mécanisme plus probable de formation des trous membranaires.
Les membranes lipidiques sont des auto-assemblages bidimensionnels de molécules amphiphiles. Elles forment les parois extérieures et intérieures des cellules, organisant ainsi les compartiments cellulaires, contrôlant les échanges de matière et servant de support aux réactions, à la transmission des signaux et à de nombreux autres processus essentiels à la vie. Ces membranes sont des contrôleurs de flux très efficaces: si elles permettent aux molécules d'eau de traverser facilement la barrière lipidique de 5 nm d'épaisseur, elles restent par contre très imperméables à la majorité des molécules hydrosolubles. Imperméabilité que l'application de champs électriques permet de surmonter en ouvrant des pores.
Au coeur des divergences entre les modèles existants et les nouvelles expériences publiées dans la revue PNAS se trouve la fréquence de formation des pores sous un champ électrique. Cette fréquence, qui dépend de la quantité d'énergie nécessaire pour ouvrir un pore, est mesurée en comptant combien de pores se forment pendant une seconde d'application du champ électrique. Sous des champs électriques croissants, cette énergie est réduite et les pores peuvent s'ouvrir spontanément. Les modèles existants supposent que le champ électrique applique une pression sur la membrane, ce qui facilite l'ouverture des pores. Mais un tel effet prédit une dépendance quadratique avec le champ: doubler la valeur du champ devrait diminuer le coût énergétique par un facteur quatre.
A l'inverse, les scientifiques ont observé que l'abaissement de la barrière énergétique varie linéairement avec le champ électrique. Cette dépendance linéaire suggère un mode d'action différent du champ: en faisant pivoter les molécules de la fine couche d'eau en contact intime avec la membrane, le champ électrique déstabiliserait l'interface membrane-eau. De quoi relancer théoriciens et simulateurs numériques à la recherche d'une vraie compréhension de ce phénomène-clé qui permettrait d'améliorer le transport des substances actives dans les cellules.
Référence
Activation energy for pore opening in lipid membranes under an electric field
Eulalie J. Lafarge, Pierre Muller, André P. Schroder, Ekaterina Zaitseva, Jan C. Behrends & Carlos M. Marques.
PNAS, Mars 2023
https://doi.org/10.1073/pnas.2213112120