Les chercheurs de Johns Hopkins Medicine rapportent que les principes de la science alimentaire les ont aidés à déterminer comment les gouttelettes inhabituelles dans les cellules restent organisées et évitent de se dissoudre dans le reste de l’intérieur gélatineux de la cellule.
Les chercheurs affirment que leurs travaux pourraient faire progresser la compréhension scientifique de l’évolution cellulaire et aider les scientifiques de l’industrie alimentaire et chimique à développer de meilleurs moyens d’empêcher la séparation des mélanges liquides.
Les cellules de tous les organismes vivants contiennent une collection de mini-machines biologiques appelées organites. Ces structures exécutent les mitochondries, le noyau cérébral et d’autres opérations de la centrale électrique de la cellule, le tout avec une bordure définie et enfermé dans une membrane. Cependant, il existe d’autres parties cellulaires qui apparaissent sous forme de “taches” visqueuses et sans membrane, mais elles servent à des fins distinctes, telles que la régulation des gènes, l’envoi de signaux chimiques ou des sites de stockage pour des molécules spécialisées.
Les scientifiques ont longtemps pensé que ces gouttelettes quelque peu mystifiantes pourraient être une version primordiale des organites, et l’équipe de recherche dirigée par Johns Hopkins a travaillé avec des vers de laboratoire pour les étudier plus avant.
Un rapport sur les conclusions de l’équipe de recherche sur ces gouttelettes, appelées condensats biomoléculaires, paraît le 10 septembre dans Science.
« J’espère que ce travail aidera à convaincre les scientifiques que les condensats biomoléculaires sont des compartiments cellulaires hautement sophistiqués », déclare Geraldine Seydoux, Ph.D., professeure Huntington Sheldon en découverte médicale et vice-doyenne de la recherche fondamentale à la faculté de médecine de l’Université Johns Hopkins et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. “Nous avons découvert qu’ils ont des rôles réglementés et réagissent à l’environnement, tout comme les autres organites. Et nous avons découvert qu’ils ont des membranes, mais pas le type que nous avons l’habitude de voir.”
Les condensats biomoléculaires ont d’abord été surnommés “granules” dans les années 1970 par des scientifiques qui ont utilisé la microscopie électronique pour observer de plus près les structures de nombreux organismes, y compris des créatures ondulées appelées C. elegans, dont la biologie relativement simple en a fait un modèle de laboratoire commun pour tout étudier, de la technologie moderne de coupure de gènes à la structure des protéines. Les condensats des vers, qui ont l’air durs et ressemblent à des grains de sable, sont connus sous le nom de granulés de P.
En 2014, dans le laboratoire de Seydoux, l’étudiante diplômée Jennifer Wang a effectué des analyses génétiques pour trouver une protéine appelée MEG-3 dans les granules du ver P. Les expériences de Wang ont montré qu’une autre protéine, PGL-3, crée les gouttelettes de liquide visqueux, le “noyau” des granules de P, et que MEG-3 rôde à l’extérieur du granule de P, formant de petits “amas” qui recouvrent la surface de la P granulés.
“Ce que nous n’avons pas compris, c’est que ces protéines pouvaient simplement s’attarder à l’extérieur des granules de P mais faire partie intégrante de la stabilisation de l’intérieur des granules”, explique Seydoux.
Le mystère n’était toujours pas résolu lorsqu’en janvier 2020, Seydoux cherchait les mots justes pour décrire leurs observations. Elle a recherché sur Google les « liquides stabilisateurs de solides » et a trouvé des références au concept de science alimentaire des émulsions de Pickering. “J’ai eu un moment OMG quand j’ai lu plus sur ce phénomène”, dit Seydoux.
Une émulsion est un mélange de deux liquides qui normalement ne se mélangent pas bien, comme l’huile et l’eau. Une émulsion Pickering est un tel mélange qui est stabilisé, comme le carton de lait de tous les jours de l’épicerie.
Le lait de vache non transformé est naturellement instable et les gouttelettes de graisse dans le lait ont tendance à se regrouper pour réduire la surface globale des molécules de graisse. Les molécules de graisse – ou crème – montent vers le haut et se séparent du lactosérum ou du liquide aqueux dans le lait.
Pour éviter la séparation du lait et stabiliser le liquide, les transformateurs laitiers poussent le lait à travers une petite aiguille, qui brise les gouttelettes de graisse, les enrobe d’une protéine appelée caséine et évite de créer une couche crémeuse de molécules de graisse fusionnées.
Seydoux dit qu’il lui est venu à l’esprit que le MEG-3 pourrait agir d’une manière très similaire à l’effet de la caséine dans le lait, abaissant la tension superficielle des gouttelettes pour les empêcher de fusionner. Et la tendance du MEG-3 à rester à la surface des granules de P lui a suggéré qu’il agissait comme une sorte de membrane, ajoute-t-elle.
Dans leurs expériences, Seydoux et son équipe ont montré que les gouttelettes de PGL-3 recouvertes de MEG-3 restent uniformément séparées sur les lames de verre, avec deux fois plus de gouttelettes que les condensats non recouverts qui fusionnent, formant des gouttelettes moins nombreuses et plus grosses sur la lame de verre.
“C’est un phénomène bien connu en science alimentaire, et maintenant nous voyons qu’il peut également se produire à l’intérieur d’une cellule”, explique Seydoux.
Seydoux et son équipe ont également conçu des ovules de vers dépourvus de MEG-3 et ont constaté que les granules de P non enrobés se dissolvaient plus lentement. Cette expérience et d’autres, explique Seydoux, suggèrent que le MEG-3 stabilise non seulement les gouttelettes dans des conditions normales, mais permet également aux gouttelettes de répondre plus rapidement lorsque les conditions environnementales changent.
L’équipe d’étudiants postdoctoraux de Seydoux, dont le spécialiste en imagerie cellulaire Andrew Folkmann et la biochimiste Andrea Putnam, a demandé l’aide d’un expert en chimie physique qui pourrait les guider dans la physique des émulsions de Pickering pour terminer leurs études.
Plusieurs mois après avoir ajouté le bio-ingénieur Chiu Fan Lee de l’Imperial College de Londres à l’équipe, il les a aidés à identifier un composant manquant dans leur modèle de ver MEG-3 : une enzyme appelée MBK-2 qui aide le liquide à l’intérieur des granules P à devenir moins visqueux.
« Ensemble, ces expériences expliquent comment cette soupe primordiale à l’intérieur des cellules peut s’assembler en compartiments qui résistent à la fusion et qui répondent aux signaux de développement », explique Seydoux.
L’équipe prévoit d’autres études pour déterminer la structure physique précise du MEG-3 et des détails supplémentaires sur son fonctionnement. Si d’autres études aboutissent, MEG-3 pourrait fournir une ressource renouvelable pour développer des émulsions de Pickering dans l’industrie alimentaire et chimique, disent-ils.
Seydoux et son équipe ont déposé des brevets sur l’utilisation du MEG-3 comme outil de développement des émulsions Pickering.
Le financement de la recherche a été fourni par les National Institutes of Health (R37HD037047, F32GM134630). Seydoux est un chercheur du Howard Hughes Medical Institute.
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