Un phospholipide assure la conversion analogique/numérique au sein des membranes
Publié par Isabelle le 12/04/2019 à 14:00
Source: CNRS INSB

Nanodomaines observés par microscopie à super-résolution© Vincent Bayle
La membrane des cellules est une barrière physique qui isole l'intérieur de la cellule du milieu extérieur. Elle est également un centre de traitement et d'échange d'informations puisque c'est le lieu où les cellules perçoivent les conditions extérieures et communiquent avec leurs voisines. Les chercheurs ont mis en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) le rôle particulier de certains lipides dans la transmission du 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...) à travers la membrane des cellules. Publié dans la revue Science, ces travaux apportent un éclairage sur les mécanismes qui assurent 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 (télécommunications, nouvelles...) entre les cellules et ainsi permettent une coordination des comportements cellulaires au cours de la croissance.

La membrane cellulaire, appelée membrane plasmique, assure un rôle de barrière tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en permettant la transmission de signaux biochimiques à travers elle. Mais comment le relais d'information se fait-il de façon fidèle ? L'un des mécanismes proposés pour le traitement d'information à travers la membrane est que celle-ci fonctionne comme un convertisseur analogique-numérique, similaire à ceux utilisés en électronique. Pour cela, la membrane plasmique convertit un signal de type analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) (système continu, comprenant par exemple toutes les valeurs comprises entre 0 et 1) en un signal numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par...) (ou digital, représenté par un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la...) de suite de 0 et de 1 appelés "bits"). Par exemple, des convertisseurs analogique-numériques sont utilisés dans un microphone (Un microphone (ou plus simplement « micro ») est un dispositif de conversion des ondes sonores acoustiques d'un milieu compressible en impulsions électriques. C'est donc un capteur...) pour convertir le signal acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes...) (signal analogique) en signal électrique (signal numérique). De façon similaire, la membrane plasmique permet de convertir les signaux biochimiques de type analogiques en information numérique.

Pour assurer cette conversion, la membrane est équipée de récepteurs enchâssés dans les lipides membranaires qui vont reconnaître les molécules à l'extérieur de la cellule. La perception de ces signaux induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) le regroupement des récepteurs au sein de domaines de quelques dizaines de nanomètres, appelés nanodomaines membranaires. Seuls les récepteurs présents dans ces nanodomaines sont capables d'émettre un signal. Ainsi, chaque nanodomaine peux être assimilé à une unité de signal (représentant une valeur de "bit" de 1) alors que les récepteurs qui ne sont pas associé à ces structures ont une valeur de 0. La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de nanodomaines est donc proportionnelle aux signaux analogiques entrant, dans ce cas, la quantité de molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) reconnue à l'extérieur de la cellule.

L'un des avantages de la conversion du signal analogique en numérique et qu'il est plus facile à manipuler. Toujours avec l'exemple du traitement du son, il est facile avec un convertisseur analogique-numérique d'ajuster son gain, c'est-à-dire de modifier la sensibilité du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...). Ainsi, si le gain est bas, seul les sons à fort décibel vont activer le capteur et seront enregistrés. Au contraire, si le gain est élevé, le capteur sera sensible au faible bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création...), mais le signal risque d'être saturé par des sons trop forts.

Les chercheurs se sont demandés si les systèmes biologiques peuvent modifier le "gain" de la membrane plasmique et ce par la capacité des récepteurs à former des nanodomaines ? Pour répondre à cette question, ils ont utilisé comme modèle une plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne)...) à fleur (La fleur est constituée par l’ensemble des organes de la reproduction et des enveloppes qui les entourent chez les angiospermes (aussi appelées plantes à fleurs). Après la pollinisation, la fleur est...), Arabidopsis thaliana, et des techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible...) de pointe dite de "super-résolution", capable d'analyser la localisation des molécules sur des tissus intacts vivants et à l'échelle de quelques dizaines de nanomètres. Ils montrent qu'un lipide membranaire, appelé phosphatidylsérine, permet la formation des nanodomaines en réponse à des signaux hormonaux. Les chercheurs ont montré que la quantité de phosphatidylsérine à la membrane plasmique varie à l'intérieur des tissus végétaux. Ces variations en phosphatidylsérine ont une incidence directe sur la formation des nanodomaines et donc leur capacité à répondre aux signaux extérieurs.

Ainsi, les membranes avec peu de phosphatidylsérine peuvent être considérées comme ayant un convertisseur analogique-numérique à faible gain. Il faut dans ce cas une forte quantité d'hormone (Une hormone est un messager chimique véhiculé par le système circulatoire qui agit à distance de son site de production par fixation sur des récepteurs...) pour activer la formation des nanodomaines et donc la transmission d'un signal à l'intérieur de la cellule. A l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont...), les cellules avec beaucoup de phosphatidylsérine vont facilement former des nanodomaines même en présence d'une quantité faible d'hormone. La phosphatidylsérine agirait donc comme un gain digital permettant d'ajuster la sensibilité des cellules à certains signaux extérieurs.

Cette étude montre que ce système est important pour le développement des plantes, comme par exemple leur réponse à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) ou la mise en place de la forme des cellules. Comme la phosphatidylsérine est également impliquée dans la formation de nanodomaines chez les levures et chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...), il est possible que ce système de "gain biologique" soit utilisé dans bien d'autres organismes.


Figure: les chercheurs utilisent l'arabette des dames comme modèle pour comprendre comment les cellules communiquent entre elles. Les images sont des clichés de microscopie. L'image de gauche montre la localisation du lipide phosphatidylserine dans des cellules de racines (en jaune et vert). L'image du milieu montre le contour des cellules à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des feuilles. Chez les plantes contrôles, ces cellules ont une forme multilobée s'imbriquant les unes aux autres tels les pièces d'un puzzle. Ces cellules perdent leur forme caractéristique lorsque la synthèse de phosphatidylserine est dérégulée (image de droite). © Matthieu Platre

En savoir plus
Developmental control of plant Rho GTPase nano-organization by the lipid phosphatidylserine
Platre M, Bayle V, Armengot L, Bareille J, Marques-Bueno MM, Creff A, Maneta-Peyret L, Fiche JB, Nolmann M, Miège C, Moreau P, Martinère-Delaunay A Jaillais Y.
Science 05 Apr 2019 Vol 364, No 6435, pp57-62. DOI: 10.1126/science.aav9959

Contact chercheur:
Yvon Jaillais - Chercheur CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...) au laboratoire Reproduction et développement des plantes
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