Bricoler les rouages ​​de la vie

Les organismes vivants surveillent le - et y réagissent de multiples manières et de manière extrêmement ponctuelle. D’un côté, ils sont par exemple capables de détecter et de réagir à la lumière et au son en quelques microsecondes tandis que, de l’autre, la détection de certains signaux provoque des réponses physiologiques programmées sur une échelle de - beaucoup plus longue. On peut penser ici aux signaux qui déclenchent le cycle de sommeil quotidien, le cycle menstruel mensuel ou les réponses aux changements saisonniers.

Cette capacité à réagir à différentes échelles de - est rendue possible par des commutateurs moléculaires – ou nanomachines – qui agissent comme des minuteries programmées pour que les fonctions s’allument et s’éteignent en réponse à l’environnement et au -.

Dans une étude publiée dans le Journal de la Société américaine de chimie Le 19 décembre, des scientifiques de l’Université de Montréal ont recréé et validé avec succès deux mécanismes biochimiques distincts permettant de programmer les taux d’activation et de désactivation des nanomachines dans les organismes vivants sur plusieurs échelles de -.

Leurs résultats pourraient exploiter ces processus naturels pour améliorer la nanomédecine et d’autres technologies tout en aidant à expliquer l’évolution de la vie.

L’analogie de la porte

Les interrupteurs biomoléculaires ou nanomachines, généralement composés de protéines ou d’acides nucléiques, sont les rouages ​​de la machinerie de la vie. Ils remplissent des milliers de fonctions clés, notamment des réactions chimiques, le transport de molécules, le stockage d’énergie et la facilitation du mouvement et de la croissance.

Mais comment ces interrupteurs ont-ils évolué pour s’activer à différentes échelles de - ? Cette question fascine depuis longtemps les biochimistes. À la suite des modèles pionniers de Monod-Wyman-Changeux et de Koshland-Nemethy-Filmer développés dans les années 1960, deux mécanismes distincts ont été proposés pour expliquer comment se produit l’activation des commutateurs biomoléculaires.

« L’analogie d’une porte est pratique pour illustrer ces deux mécanismes », explique Alexis Vallée-Bélisle, professeur de chimie à l’UdeM et chercheur principal de cette étude. La porte fermée représente la structure inactive de l’interrupteur ou de la nanomachine, tandis que la porte ouverte représente sa structure active. La grande différence entre ces deux mécanismes est la présence d’une poignée sur la porte ! Dans le mécanisme de sélection conformationnelle, la molécule activatrice doit attendre que la porte s’ouvre spontanément avant de la saisir sous sa forme ouverte. En revanche, dans le mécanisme de réglage induit, la molécule activatrice interagit avec la poignée et son interaction force la porte à s’ouvrir.

Construire un « nanogate » avec de l’ADN

Pour percer le mystère de ces mécanismes, les chercheurs ont recréé une simple « porte » moléculaire à l’aide de l’ADN. Bien que principalement connu pour son rôle dans le codage génétique, l’ADN est également exploité par les bio-ingénieurs pour fabriquer des objets à l’échelle nanométrique grâce à sa chimie programmable et polyvalente.

« Comparé aux protéines, l’ADN est comme des blocs LEGO qui nous permettent de construire ce que nous imaginons à l’échelle nanométrique », explique Dominic Lauzon, chercheur associé et co-auteur de l’étude.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont conçu une porte de cinq nanomètres pouvant être ouverte à partir de deux mécanismes biochimiques distincts, leur permettant ainsi de comparer directement leur efficacité et la manière de les programmer. Par exemple, le mécanisme de réglage induit – grâce à la poignée – permet à la porte de s’ouvrir et de se fermer jusqu’à 1000 fois plus vite que le mécanisme de sélection conformationnelle, soit quelques minutes contre jours.

L’équipe de recherche a également montré que ces mécanismes peuvent être utilisés pour programmer des systèmes nanotechnologiques dans divers domaines, notamment pour la libération contrôlée de médicaments. Ainsi, « en concevant une poignée moléculaire, nous avons créé une nanomachine permettant la libération rapide et immédiate d’un médicament par le simple ajout d’une molécule activatrice », indique Achille Vigneault, étudiant à la maîtrise en génie biomédical à l’UdeM et co-auteur. de l’étude. Et en l’absence de poignée, nous avons également conçu une nanomachine programmable offrant une libération plus lente et continue du médicament après son activation.

Ces résultats démystifient les rôles évolutifs distincts et les avantages des deux mécanismes de signalisation et expliquent pourquoi certaines protéines ont évolué pour être activées par un mécanisme plutôt que par un autre, ont indiqué les chercheurs.

« Prenons les récepteurs cellulaires qui permettent de détecter la lumière ou de percevoir les odeurs : ils bénéficient probablement d’un mécanisme d’ajustement induit rapide », souligne Alexis Vallée-Bélisle. En revanche, les processus qui s’étendent sur plusieurs heures, comme les cycles quotidiens, devraient bénéficier du mécanisme plus lent de sélection conformationnelle.