Une toxine anti-moustique naturelle

Publié par Adrien le 06/03/2020 à 08:00
Source: CNRS INSB
Comment réduire les populations de moustiques sans impacter l'environnement, ni induire de résistance ? Ce double défi est réussi par la bactérie Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) qui produit, sous la forme de nanocristaux, quatre toxines ultra-spécifiques des larves de moustiques. Mais de la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les bactéries...) au moustique, comment se déroule la bio-activation de Cyt1Aa, celle des quatre toxines qui explique l'absence de résistance à Bti ? La détermination de sa structure tri-dimensionnelle à partir des nanocristaux naturels répond à cette question. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.

Le moustique demeure l'organisme le plus néfaste à la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) humaine, transmettant 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 extracellulaire ou intracellulaire. Sous la forme intracellulaire (à...), bactéries et parasites responsables de maladies ravageuses telles que le paludisme (Le paludisme (du latin paludis, « marais »), aussi appelé malaria (de l'italien mal'aria, « mauvais air »), est une maladie infectieuse due...), la dengue (La dengue (prononcer /dɛ̃g/, « dingue »), anciennement appelée « grippe tropicale », « fièvre rouge» ou « petit palu », est une...) ou encore le chikungunya (Le chikungunya (en abrégé le chik) , est une maladie infectieuse tropicale, due à un arbovirus (noté CHIKV, pour chikungunya...). Pour réduire les populations de moustiques, la plupart des pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la...) utilisent des insecticides chimiques, mais ces molécules entraînent la sélection de moustiques résistants et sont aussi toxiques pour les abeilles, les crustacés (Les crustacés (Crustacea) sont des arthropodes, c'est-à-dire des animaux dont le corps est revêtu d’un exosquelette...) et les poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest...).


Cyt1Aa, une toxine (Une toxine est une substance toxique pour un ou plusieurs organismes vivants. Le Petit Larousse de 2009, toutefois, définit la toxine comme une « substance toxique...) anti-moustique naturelle.
a, Les larves de moustiques sont friandes de bactéries.
b, La bactérie Bacillus thuringiensis (Bacillus thuringiensis (abrégé en Bt) est un bacille Gram positif, aérobie et sporulé. On le retrouve dans pratiquement tous les sols, l'eau, l'air et le feuillage des végétaux. Il fait...) israelensis (Bti) produit quatres toxines spécifiques sous la forme de nanocristaux, dont Cyt1Aa.
c, La structure de Cyt1Aa, résolue à 1.8 Å de résolution à partir des nanocristaux naturels mesurant moins de 1 µm dans leur dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) la plus large, a révélé que ceux-ci se forment par chaînage, via des ponts disulfures, de dimères à domaines échangés de Cyt1Aa.
d-e, Les pores formés par Cyt1Aa dans les membranes cellulaires (ici des cellules d'insectes (Insectes est une revue francophone d'écologie et d'entomologie destinée à un large public d'amateurs et de naturalistes. Produite par l'Office pour les insectes et leur environnement (association loi de...) SF21) sont si larges qu'ils permettent l'entrée, au sein des cellules, de billes de dextran fonctionnalisées à la fluorescéine larges de 8.5 nm.
f, C'est ainsi que les larves sont éliminées, évitant l'apparition des moustiques adultes.
© Jacques-Philippe Colletier.

Une approche alternative, respectueuse de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...), consiste en l'épandage de spores de la bactérie Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) dans les sites de reproduction des moustiques. Sous la forme de nanocristaux naturels, Bti produit un cocktail de quatre toxines ultra-spécifiques - Cyt1Aa, Cry11Aa, Cry4Aa et Cry4Ba. Suite à l'ingestion des spores par les larves de moustiques, les cristaux se dissolvent dans leur intestin (L'intestin est la partie du système digestif qui s'étend de la sortie de l'estomac à l'anus. Chez les humains et la plupart des mammifères, il est divisé en deux parties appelées l'intestin...) sous l'effet de l'élévation du pH (jusqu'à 11), puis les protoxines solubles sont activées par des protéases (suppression des propeptides) et oligomérisent dans les membranes des cellules intestinales, entraînant leur perforation.

Des quatre toxines, Cyt1Aa est la seule capable d'interagir directement avec les membranes des cellules intestinales de moustiques, se liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre. Dans le domaine de la peinture, il permet au pigment d'une peinture de coller sur le support, il est alors plutôt appelé médium.) aux lipides plutôt qu'à un récepteur protéique ancré dans celles-ci. Outre son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) propre, Cyt1Aa peut donc faciliter le maintien de l'activité des autres toxines dans le cas où apparaitrait une résistance basée sur la modification des récepteurs propres de ces dernières. Cette particularité de Cyt1Aa explique qu'aucune résistance n'ait à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...) été observée dans les zones traitées au Bti et que Bti soit utilisé pour contrôler les populations de moustiques dans de nombreux pays (États-Unis, Allemagne, Thaïlande, Chine,...). Les coûts restent cependant élevés, rendant difficile une application dans les pays en voie de développement. Pour réduire ces coûts et permettre une utilisation plus large de cet anti-moustique naturel, augmenter son activité ou étendre son spectre d'action, une compréhension fine des mécanismes (i) de cristallisation in vivo au sein de Bti; (ii) de dissolution du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide...) et d'activation (Activation peut faire référence à :) des protoxines dans le tractus digestif de la larve (La larve est le premier stade de développement de l'individu après l'éclosion de l'œuf ou la naissance chez un grand nombre d'espèces animales, ayant un développement...) ; et (iii) de toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα toxikótêta) est la mesure de la capacité...) est requise, notamment concernant Cyt1Aa.

C'est donc à la compréhension de ces trois mécanismes que se sont spécifiquement intéressés les chercheurs dans le cadre d'une collaboration internationale..La première gageure était de réussir à résoudre la structure de cette 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...) dans le contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...) naturel, i.e. à partir des nanocristaux formés au sein de Bti. Mesurant moins de 1 µm, ces cristaux sont en effet trop petits pour permettre la détermination d'une structure à résolution atomique par cristallographie d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante soit amorties. Elles répondent aux mêmes équations quel que soit le domaine.) dans un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) - et ce, même à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) cryogénique. Ainsi, les chercheurs ont eu recours à une source de rayons X démesurément plus puissante, un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme...) à électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants...) libre X ou XFEL, capable de délivrer en un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger permettant de se...) court - quelques femtosecondes i.e. 10^-15 s - autant de rayons X qu'un synchrotron en une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une mesure...). Grâce à cette installation et par cristallographie sérielle à l'échelle de la femtoseconde (ou SFX), ils ont pu résoudre à 1.8 Å de résolution la structure de Cyt1Aa à température ambiante, révélant les bases moléculaires de sa cristallisation in vivo et fournissant des indications sur le possible mécanisme de dissolution du cristal à haut pH, dans l'intestin de larves de moustiques.

Par mutagénèse dirigée et en faisant appel à une large gamme de méthodes biochimiques, biophysiques et toxicologiques, le consortium a pu identifier les interfaces centrales au mécanisme de dissolution et à l'activation de la protéine. Enfin, il a caractérisé les deux types d'oligomères pouvant se former en suite de 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...) de Cyt1Aa avec la membrane, rationnalisant pour la première fois que cette seule protéine puisse à la fois exercer une toxicité directe (oligomères poreux) et synergiser celle des autres toxines (oligomères de surface).

En réconciliant des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement,...) jusqu'ici mises en avant pour opposer deux modèles, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) des résultats met fin à une trentaine d'années de controverses sur le fonctionnement de Cyt1Aa. Ils montrent par ailleurs que la taille, l'aspect, la toxicité et la sensibilité au pH des cristaux de Cyt1Aa peuvent être contrôlés par le remplacement d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) unique à une interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) stratégique, dans une protéine de ~2700 atomes. Ces découvertes ouvrent la voie au perfectionnement rationnel des toxines de Bti, avec pour perspectives d'étendre le spectre d'action, d'augmenter la toxicité et de réduire les coûts, autorisant enfin une utilisation large de cet anti-moustique naturel.

Pour en savoir plus

Serial femtosecond crystallography on in vivo-grown crystals drives elucidation of mosquitocidal Cyt1Aa bioactivation cascade.
Tetreau G, Banneville AS, Andreeva EA, Brewster AS, Hunter MS, Sierra RG, Teulon JM, Young ID, Burke N, Grünewald TA, Beaudouin J, Snigireva I, Fernandez-Luna MT, Burt A, Park HW, Signor L, Bafna JA, Sadir R, Fenel D, Boeri-Erba E, Bacia M, Zala N, Laporte F, Després L, Weik M, Boutet S, Rosenthal M, Coquelle N, Burghammer M, Cascio D, Sawaya MR, Winterhalter M, Gratton E, Gutsche I, Federici B, Pellequer JL, Sauter NK, Colletier JP.

Nat Commun. 2020 Mar 2;11(1):1153.
doi: 10.1038/s41467-020-14894-w.

Laboratoire

Institut 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...) Structurale (IBS) - (CNRS/CEA/Univ. Grenoble Alpes)
71, Avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un monument.) des Martyrs CS 10090 38044 Grenoble Cedex 9 (France)
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