Des pincettes en ADN pour étudier l'interaction entre un médicament et sa cible à l'échelle molécule-unique
Publié par Adrien le 28/09/2019 à 08:00
Source: CNRS INSB
L'efficacité d'un médicament est fortement liée au temps que la molécule médicamenteuse passe accolée à sa cible, typiquement une protéine. Bien souvent si l'interaction est de longue durée la drogue aura un effet plus fort que si l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) est de courte durée. Une équipe pluridisciplinaire vient de décrire dans la revue Nature Nanotechnology une nouvelle approche à très haute résolution permettant d'observer, en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel, l'interaction d'une seule molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la...) médicamenteuse avec une seule molécule de cible. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) du "quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure...)" d'interaction moléculaire ouvre de nouvelles perspectives dans le développement des médicaments mais aussi des anticorps thérapeutiques et de la science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie civil), les polymères...).


Figure: Une molécule d'ADN est transformée en pincette moléculaire par l'ajout d'un "pont" interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une...) synthétique. L'ADN est ensuite fixé par une extrémité à une bille magnétique et par l'autre extrémité à une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est...). Des molécules d'intérêt sont greffées sur la pincette, et leur interaction est détectée en temps réel en observant l'état de la pincette (pont "ouvert" ou pont "fermé").
© Vlad Kunetki

L'ADN est une molécule chimique dotée de propriétés physiques uniques et qui dépassent de loin son rôle comme simple support de l'information génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.): elle est stable, inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), facile à fabriquer, rigide à l'échelle de 50 nanomètres, et adressable via la séquence de bases qui la constitue (les fameuses "lettres" du code génétique (Le code génétique désigne le système de correspondance mis en jeu lors de la transformation de l'information génétique des gènes en...) A, T, G et C). D'ailleurs depuis plusieurs années maintenant les scientifiques exploitent ces propriétés en se servant de ce biopolymère comme nanomatériau (Un nanomatériau est un matériau possédant des propriétés particulières à cause de sa structure nanométrique. Elle est habituellement issue de la nanotechnologie.) pouvant être replié en formes arbitraires et fonctionnelles: il s'agit des fameux "origamis" en ADN.

Inspirée par ces origamis, les chercheurs viennent de décrire une nouvelle façon d'assembler l'ADN permettant de s'en servir comme une pincette pour étudier les interactions entre molécules d'intérêt. Dans cette stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :), ces dernières sont chimiquement couplées à deux endroits distincts le long de la pincette d'ADN qui est ensuite accrochée par une extrémité à une lame de verre traitée, et par l'autre extrémité à une microbille magnétique. La microbille est observée et manipulée grâce à un "piège magnétique", c'est-à-dire un microscope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) incorporant une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) d'aimants située au-dessus de la lame de verre et permettant d'appliquer à l'ADN une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) de traction contrôlée, ceci via la bille magnétique. La position de la bille au-dessus de la lame de verre peut être mesurée par 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 des éléments invisibles à...) optique, en temps réel et avec une précision nanométrique.

Si les molécules se trouvent en interaction, la pincette est refermée et la bille est proche de la lame. Lorsque les molécules se dissocient la pincette s'ouvre et la bille s'éloigne de la lame. L'état de la pincette, refermée ou ouverte, est enregistré en temps réel. Le temps que la pincette passe dans l'état refermé avant de s'ouvrir représente ainsi la durée de l'interaction entre les molécules d'intérêt, et peut alors être déterminé avec une très grande précision et ceci pour chaque couple de molécules pris individuellement. La variation de cette durée en fonction de divers paramètres (intensité et direction de la force appliquée, 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...),...) permet une nouvelle caractérisation, chimique mais aussi physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...), de l'interaction entre une molécule médicamenteuse et sa cible.

Afin de démontrer l'intérêt de l'approche, les chercheurs ont utilisé cette pincette moléculaire pour étudier l'interaction de la rapamycine avec sa cible thérapeutique (La thérapeutique (du grec therapeuein, soigner) est la partie de la médecine qui étudie et applique le traitement des maladies.), la kinase mTOR. Cette dernière intervient dans la signalisation du stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le langage...) cellulaire et son inhibition a de multiples conséquences fonctionnelles. La rapamycine est ainsi un immunosuppresseur puissant qui sert cliniquement à prévenir les rejets de greffe et à traiter un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cancers. Cette molécule agit en se fixant à la protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des...) FKBP12 ; le complexe rapamycine-FKBP12 se fixant ensuite lui-même à la sous-unité FRB de la protéine mTOR. L'étude accomplie a permis de caractériser la façon dont se dissocie le complexe FRB-rapamycine-FKBP12 en déterminant l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) et la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) relative des sous-unités au moment de leur rupture.

De façon plus générale cette pincette moléculaire s'apparente à un "détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement...) universel" pouvant être utilisé pour caractériser de nombreuses autres associations moléculaires, soit dans le domaine du vivant (entre protéines ou entre protéine et médicament), soit dans le domaine de la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), (entre nanoparticules ou entre nanoparticule et petite molécule).

Pour en savoir plus:
A modular DNA scaffold to study protein-protein interactions at single-molecule resolution
Kostrz D, Wayment-Steele HK, Wang JL, Pande VS, Strick TR & Gosse C.
Nature Nanotechnology 23 September 2019 doi: 10.1038/s41565-019-0542-7
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