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Les chercheurs ont découvert que les protéines tardigrades, lorsqu’elles sont exprimées dans les cellules humaines, peuvent ralentir leur métabolisme et améliorer leur survie. Le processus réversible induit la production d’un gel à l’intérieur des cellules et déclenche la biostase. Ces protéines pourraient ouvrir la voie à de nouvelles stratégies anti-âge et contribuer à améliorer les méthodes de préservation cellulaire.
Les tardigrades (ou ours d’eau) font partie des organismes les plus résistants sur Terre. Mesurant en moyenne moins d’un demi-millimètre de long, ils ont une incroyable capacité à survivre dans des conditions extrêmes. Par exemple, ils peuvent résister à des températures allant de quelques degrés au-dessus du zéro absolu à 150°C ainsi qu’à des niveaux de rayonnement que presque aucun organisme vivant ne pourrait supporter, sans parler de leur incroyable résilience face au vide. espace.
Comme les tardigrades, un certain nombre d’autres organismes sont également tolérants à la dessiccation. Dans un environnement dépourvu d’eau, ils entrent dans un état de biostase (arrêt temporaire des fonctions vitales) appelé anhydrobiose. Dans cet état, ils suspendent complètement leur métabolisme jusqu’à leur réhydratation. Les organismes anhydrobiotiques protègent leurs cellules des dommages induits par la dessiccation en accumulant des sucres non réducteurs, comme le saccharose.
Cependant, la façon dont les tardigrades survivent à la dessiccation est particulièrement intrigante. En fait, ils accumulent très peu de sucre, voire pas du tout. Au lieu de cela, ils s’appuient sur un large éventail de protéines désordonnées qui leur fournissent une protection adaptative contre la déshydratation. Parmi ces protéines figurent celles dites « cytoplasmiques abondantes thermosolubles » (CAHS).
Cependant, la manière dont ces protéines déclenchent la biostase chez les tardigrades est largement mal comprise. Dans leur nouvelle étude publiée dans la revue Science des protéines, des chercheurs de l’Université du Wyoming (États-Unis) ont approfondi les processus induits par ces protéines en examinant leurs effets sur les cellules humaines. ” Nos résultats ouvrent la voie au développement de technologies axées sur l’induction de la biostase dans les cellules et même dans des organismes entiers pour ralentir le vieillissement et améliorer le stockage et la stabilité. “, ont-ils expliqué dans un communiqué.
Un gel induisant une biostase réversible
Dans la nouvelle étude, les chercheurs se sont concentrés sur CAHS D, une protéine CAHS utilisée par le tardigrade Hypsibius exemplaire pour l’anhydrobiose. D’autres recherches ont déjà montré qu’en étant exprimée dans les levures et les bactéries, cette protéine a un effet protecteur contre les dommages induits par la dessiccation.
Au cours du processus menant à l’anhydrobiose, le CAHS D passe de l’état de solution à celui de gel solide. Il a été suggéré que cette gélification pourrait jouer un rôle dans la capacité protectrice des protéines CAHS. Cependant, les mécanismes moléculaires à l’origine de cette gélification n’ont pas été entièrement explorés. En effet, le lien entre la gélification du CAHS et sa capacité protectrice est largement spéculatif, et aucune étude empirique n’a jusqu’à présent été réalisée dans ce sens.
Pour explorer la question, des experts de l’Université du Wyoming ont analysé la structure des hydrogels CAHS D en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB) et la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), une technique analytique qui mesure l’intensité des rayons X diffusés par un échantillon en fonction de l’angle de diffusion. Pour analyser les interactions moléculaires conduisant à la gélification, les chercheurs ont combiné des approches informatiques et biophysiques.
Ils ont découvert que les hydrogels CAHS D sont composés d’un réseau entrelacé de fibres d’environ 10 nanomètres de long. La transition vers l’état gel est induite par les changements de concentration du milieu liquide et de température. Cela déclenche un stress osmotique, après quoi la protéine s’accumule en amas fibreux de plus en plus denses jusqu’à former un assemblage semblable à un cytosquelette. La gélification de la protéine restreint les mouvements moléculaires, ainsi que ceux des matériaux biologiques sensibles à la déshydratation.
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La protéine CAHS D forme un gel qui immobilise et stabilise le matériel biologique in vitro. a) Dépendance à la concentration et à la température de la gélification CAHS D. (b) Dénaturation thermique et refroidissement de la structure de la protéine CAHS D. (c) La dilution de 10 g/L (0,4 mM) de gel CAHS D dans 20 mM de tampon Tris entraîne une résolution en environ 2 minutes à 55°C. (d) Images SEM du lysozyme (une enzyme), de la gélatine et du CAHS D. Les gels réticulaires CAHS D sont similaires à la protéine gélatineuse, mais distincts de ceux du lysozyme, une protéine non gélifiante. ( e ) Le sondage des gels CAHS D à différentes concentrations a révélé une structure émergente d’environ 9, 5 nm. La région de l’image SEM agrandie dans la zone de légende rouge montre une fibre d’environ 10 nm de large, correspondant bien au pic émergent trouvé à concentration croissante dans le tracé SAXS (indiqué par la flèche rouge et la ligne pointillée noire). La flèche verte met en évidence le changement d’espace vide interne au sein d’une seule fibre. © S. Sánchez-Martinez et al.
Lors de tests sur des cellules humaines, il a découvert que la fibrillation CAHS D induit une protection contre le stress osmotique, en induisant une résistance au changement de volume et en ralentissant le métabolisme. ” Étonnamment, lorsque nous introduisons ces protéines dans les cellules humaines, elles se gélifient et ralentissent le métabolisme, tout comme chez les tardigrades. », déclare Silvia Sanchez-Martinez de l’Université du Wyoming, auteur principal de la recherche. “
De plus, tout comme les tardigrades, les cellules humaines qui contiennent ces protéines en biostase deviennent plus résistantes au stress, conférant certaines des capacités des tardigrades.
“, Elle ajoute.
Le ralentissement métabolique induit par la gélification de CAHS D était fortement corrélé à une meilleure survie cellulaire. De plus, la condensation de la protéine ainsi que les effets induits sont réversibles avec le retour aux conditions osmotiques normales. ” Lorsque le stress est soulagé, les gels tardigrades se dissolvent et les cellules humaines reprennent leur métabolisme normal », déclare Thomas Boothby, l’un des auteurs de l’étude et chercheur à l’Université du Wyoming.
Ces résultats promettent de larges perspectives d’application pour les protéines tardigrades, telles que des stratégies visant à ralentir le vieillissement et le stockage des cellules souches pour les thérapies cellulaires. Des recherches antérieures, menées par la même équipe, ont montré que des versions naturelles et artificielles de protéines tardigrades peuvent être utilisées pour stabiliser un composé essentiel au traitement de l’hémophilie, sans nécessiter de réfrigération.
