Des polymères aux effets hydratants

Pas de vie sans eau ? Ce dogme de la biologie est remis en cause par l'observation de protéines actives lorsqu'elles sont enrobées de certains polymères. Une équipe internationale impliquant notamment des chercheurs du CEA, du CNRS et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Joseph-Fourier vient de mettre en évidence les caractéristiques permettant à ces polymères de maintenir en activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des protéines, au même titre que l'eau (L’eau (que l'on peut aussi appeler oxyde de dihydrogène, hydroxyde d'hydrogène ou acide hydroxyque) est un composé chimique simple, mais avec des propriétés complexes à cause...).

Les analyses ont été réalisées sur un nano-hybride, un système biologiquement actif en l'absence d'eau et composé d'une protéine, la myoglobine, entourée d'une couche de polymères. Les chercheurs ont étudié séparément la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de chacun des constituants et ont montré comment ces polymères peuvent remplacer l'eau pour lubrifier la protéine et lui permettre des mouvements essentiels à son fonctionnement.

Ces résultats pourraient ouvrir de nouveaux champs d'applications dans l'industrie, en pharmacologie et en médecine (La médecine est une science, un art, et une technique dont l'objet est à la fois l'étude du corps humain et de son fonctionnement, ainsi que la conservation et le rétablissement de la santé. Appliquée aux animaux, la...). Ils sont publiés en ligne le 2 août par le Journal of the American Chemical Society.

Malgré l'absence d'eau dans son environnement, la myoglobine (en rouge),
enrobée d'une couche de polymères particuliers (en gris) conserve sa fonctionnalité biologique.
© Journal of the American Chemical Society

Indispensables à la vie des cellules, les protéines actives sont de véritables machines moléculaires. Elles peuvent accélérer la vitesse (La vitesse est une grandeur physique qui permet d'évaluer l'évolution d'une quantité en fonction du temps.) de réactions chimiques, soutenir les tissus, stocker et transporter des substances essentielles, assurer 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 technologies...), ainsi...) entre cellules et défendre l'organisme contre les corps étrangers. Les protéines possèdent en grande majorité une structure tridimensionnelle bien définie et des mouvements intrinsèques appropriés nécessaires à leur fonctionnement biologique. Certains facteurs comme la déshydratation cellulaire, ou encore le changement brutal de température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert...), peuvent entraîner une inactivation des protéines: elles ne sont alors plus fonctionnelles et peuvent mener, à terme, à la mort cellulaire.

Il était admis qu'une protéine ne pouvait être fonctionnelle en l'absence d'eau dans son environnement. En 2010, une équipe anglaise de l'Université de Bristol (L'université de Bristol (en anglais, University of Bristol) est une université anglaise, à Bristol. C'est une des Red brick university.) a réussi à créer un nano-hybride, constitué d'une protéine, la myoglobine, encapsulée par des polymères. Ces derniers ont créé une couche autour de la protéine, d'où l'eau était totalement absente, tout en la maintenant fonctionnelle. Cependant, la raison pour laquelle les polymères permettaient de conserver la fonction biologique intacte de la protéine restait un mystère.

Une équipe internationale impliquant des chercheurs du CEA, du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), de l'Université Joseph-Fourier, de l'Université de Bristol (Royaume-Uni), de l'Université Nationale Australienne et du Forschungszentrum Jülich (Allemagne), a alors étudié la dynamique de ce nano-hybride par diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...) de neutrons produits par un réacteur nucléaire (Un réacteur nucléaire est un dispositif dans lequel une réaction en chaîne peut être initiée, modérée et contrôlée (contrairement à une bombe atomique, pour laquelle la réaction en chaîne se...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...). De manière à analyser séparément la myoglobine et la couche de polymères sans altérer l'intégrité du système, l'équipe a eu recours à une astuce. Ils ont marqué la protéine avec du deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) (un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons....) de l'hydrogène). Une fois marquée, la myoglobine devient invisible "aux yeux" des neutrons, permettant ainsi d'observer uniquement la dynamique de la couche de polymères. Inversement, l'utilisation de polymères marqués au deutérium permet de n'observer que la dynamique de la myoglobine.

Grâce à la combinaison (Une combinaison peut être :) des techniques de marquage isotopique et de diffusion de neutrons, les chercheurs ont pour la première fois pu montrer que ces polymères possèdent une dynamique équivalente à celle des molécules d'eau autour des protéines. D'autre part, ils ont montré que la myoglobine présente dans le nano-hybride possède une dynamique similaire à celle d'une protéine qui serait normalement hydratée. Au sein de ce système, la myoglobine reste donc fonctionnelle malgré l'absence d'eau: les polymères jouent ainsi le rôle de lubrifiant pour les mouvements de la protéine, mission normalement remplie par les molécules d'eau dans un environnement physiologique.

Rendre des protéines fonctionnelles en l'absence d'eau pourrait ouvrir un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de travail dans plusieurs secteurs industriels. En effet, la présence d'eau reste un handicap dans bien des situations, comme la conservation de solutions de protéines (dégradation) ou la création de médicaments à forte concentration en principe actif (agrégation). A terme, il serait possible de manipuler facilement un très grand nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) de protéines nécessaires au développement d'applications dans l'industrie, en pharmacologie, et en médecine.


Notes:

(1) L'Institut de Biologie Structurale (CEA/CNRS/Université Joseph-Fourier).

(2) L'Institut Laue-Langevin (L'Institut Laue-Langevin (ILL), nommé ainsi en l'honneur des physiciens Max von Laue (physicien allemand 1879-1960) et Paul Langevin (physicien français 1872-1946) est un organisme de recherche international, il a été fondé en 1967 par la France et...) (Grenoble).

(3) Protéine impliquée dans le stockage de l'oxygène dans les muscles.

(4) Deux réacteurs ont été utilisés ici: le réacteur (Un réacteur peut désigner :) de recherche à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) localisé au sein de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble (France) et le réacteur de recherche FRM II à Garching, près de Munich (Allemagne).

(5) Préparation effectuée au laboratoire de deutération de l'Institut Laue-Langevin.

(6) Du fait de ses propriétés particulières, le deutérium affaiblit le 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 des...) mesuré quand il remplace l'hydrogène (Table complète - Table étendue), jusqu'à le "masquer"


Référence:

A Polymer Surfactant Corona Dynamically Replaces Water in Solvent-Free Protein Liquids and Ensures Macromolecular Flexibility and Activity - François-Xavier Gallat, Alex P. S. Brogan, Yann Fichou, Nina McGrath, Martine Moulin (Un moulin, du latin molinum issu de mola meule, est une machine destinée à moudre les grains de céréale en farine.), Michael Härtlein, Jérôme Combet, Joachim Wuttke, Stephen Mann, Giuseppe Zaccai, Colin J. Jackson, Adam W. Perriman, and Martin Weik. Journal of the American Chemical Society, Aou/02/2012.

http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=10668