07 Août Portes tournantes et moteurs efficaces : comment les protéines se libèrent d’un enchevêtrement moléculaire

Une nouvelle étude révèle comment des machines cellulaires à haut rendement énergétique démêlent rapidement les protéines mal repliées – une découverte qui pourrait contribuer à améliorer la conception de machines moléculaires artificielles.

Essayer de démêler un nœud dans un enchevêtrement de fils peut s’avérer frustrant et prendre beaucoup de temps. Mais ce n’est pas le cas pour les machines moléculaires – ces molécules qui transforment l’énergie chimique en travail mécanique et en mouvement. Les machines de la famille AAA+, présentes dans les cellules de tous les organismes vivants, des bactéries aux êtres humains, sont capables, parmi leurs nombreuses fonctions, de reconnaître les chaînes protéiques mal repliées et de les démêler rapidement.

Les chercheurs du laboratoire du professeur Gilad Haran à l’Institut Weizmann des Sciences ont décrypté ce mécanisme sophistiqué, à la fois rapide et remarquablement efficace. Leurs résultats, récemment publiés dans *Nature Communications*, révèlent comment les cellules effectuent un contrôle qualité de leurs protéines et pourraient aider à expliquer pourquoi ce contrôle fait défaut dans des maladies telles que la neurodégénérescence et le cancer. Ils pourraient également servir de source d’inspiration pour la mise au point de machines moléculaires artificielles hautement efficaces.

(l-r) Dr. Dorit Levy, Dr. Yoav Barak, Dr. Inbal Riven and Prof. Gilad Haran

Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont réussi à visualiser les structures tridimensionnelles de ces minuscules machines AAA+ en les congelant et en les examinant au microscope électronique. Ils ont découvert que chaque machine se compose de six sous-unités protéiques disposées en anneau, formant un canal central. Lorsqu’une chaîne protéique dans la cellule s’emmêle ou se replie de manière anormale, ces machines viennent à la rescousse, démêlant la chaîne en la faisant passer à travers le canal.

Mais quelle force tire la chaîne vers l’avant ? Jusqu’à présent, on ne savait pas exactement comment une minuscule machine moléculaire transformait l’énergie chimique présente dans la cellule en une action mécanique de traction efficace. L’hypothèse dominante proposait un mécanisme de type « main dans la main » : à chaque cycle, la machine utiliserait une impulsion d’énergie pour propulser un « bras » (une sous-unité) vers l’avant, saisir la chaîne protéique et la tirer, répétant le cycle jusqu’à ce que toute la chaîne soit passée. Cependant, ce modèle ne concordait pas avec plusieurs observations biophysiques rapportées dans la littérature scientifique.

Pour répondre à cette question, les chercheurs – sous la direction du Dr Remi Casier, du laboratoire du professeur Haran au sein du Département de Physique Chimique et Biologique de l’Institut Weizmann – ont mis au point une méthode leur permettant de suivre, en temps réel plutôt que par le biais d’instantanés figés, le passage d’une chaîne protéique à travers la machine moléculaire. Ils ont utilisé des capteurs fluorescents fixés à la caséine, une protéine du lait, et à la machine AAA+ qui la traite. Un capteur vert a été fixé à la caséine, un capteur orange à l’entrée de la machine et un capteur rouge à sa sortie.

Lorsque les capteurs étaient éloignés l’un de l’autre, seule la fluorescence verte était visible ; mais à mesure que la protéine se déplaçait dans le canal, elle transférait de l’énergie au capteur orange ou rouge. En mesurant l’intensité de chaque couleur, les chercheurs ont pu déterminer avec précision où se trouvait la protéine à tout moment. Pour garantir des rencontres répétées entre la protéine et la machine, les chercheurs les ont confinées dans une minuscule bulle lipidique (un liposome) qui les empêchait de s’échapper, tout en permettant l’entrée de molécules d’ATP, le « carburant » utilisé par la plupart des machines moléculaires.

Dr Remi Casier

« Le segment de protéine marqué a traversé le canal à une vitesse fulgurante, en quelques millisecondes seulement – alors qu’il faut plus d’une demi-seconde à la machine pour décomposer une seule molécule d’ATP et en extraire l’énergie », explique le professeur Haran. « Cela a révélé à quel point cette machine est économe en énergie – et a rendu moins plausible le modèle dit “main dans la main”, qui repose sur des pics d’énergie et de grands bonds. Nous avons dû repenser l’ensemble du mécanisme. »

Une porte tournante moléculaire

Pour mieux comprendre le rôle de l’ATP dans le fonctionnement de la machine, les chercheurs ont mené deux expériences. Dans la première, ils ont remplacé l’ATP par des molécules de structure similaire mais pratiquement inactives et ont constaté que le mouvement à l’intérieur du canal perdait toute direction. Dans la deuxième expérience, ils ont progressivement réduit la concentration en ATP sans toutefois l’éliminer complètement. Ils ont observé une chute spectaculaire du nombre d’événements d’enfilage, mais, à leur grande surprise, la vitesse de chaque enfilage n’a pratiquement pas changé.

« Nous avons découvert que la machine utilise de l’énergie pour déclencher le processus d’enfilage et maintenir le mouvement directionnel, mais pas pour tirer de force sur la chaîne ni pour accélérer son mouvement », explique le professeur Haran. « Nous émettons l’hypothèse que la machine moléculaire fonctionne comme une porte tournante. Lorsque la protéine y pénètre, elle peut tenter de se déplacer dans n’importe quelle direction. Mais la machine est structurée de telle sorte qu’en présence d’ATP, seul le mouvement dans une direction entraîne une progression vers l’avant, tandis que les tentatives de mouvement dans la direction opposée sont bloquées. » Comme les protéines sont naturellement en mouvement aléatoire constant, ce mécanisme – connu sous le nom de moteur brownien, du nom de Robert Brown, qui fut le premier à observer le mouvement aléatoire de petites particules au microscope – est très économe en énergie.

(l-r) Dr. Dorit Levy, Dr. Inbal Riven, Dr. Yoav Barak and Prof. Gilad Haran

« À la lumière de ces résultats et des recherches antérieures, nous pouvons désormais émettre des hypothèses détaillées sur ce qui se passe à l’intérieur de cette machine moléculaire », ajoute le professeur Haran. « Des boucles présentes dans la paroi du canal font saillie vers l’intérieur et, à l’instar des battants d’une porte tournante, déterminent la direction privilégiée du mouvement. La machine utilise de l’énergie pour s’assurer que ces boucles oscillent dans la bonne direction. »

Au cours de la dernière phase de l’étude, les chercheurs se sont intéressés aux événements de défaillance, lors desquels le passage à travers le canal n’était pas achevé. « Ces événements ont duré relativement longtemps », explique le professeur Haran. « Nous avons constaté qu’au cours de ceux-ci, la protéine se déplaçait d’avant en arrière à l’intérieur du canal jusqu’à ce qu’elle sorte par erreur par la même extrémité que celle par laquelle elle était entrée. Cela indique qu’il n’y a pas de grandes fluctuations d’énergie ni de forces puissantes à l’intérieur du canal, mais plutôt un mécanisme subtil de guidage du mouvement qui est parfois sujet à l’erreur. »

« Dans cette nouvelle étude, nous avons pu entrevoir le fonctionnement interne d’une importante machine moléculaire qui opère dans les cellules depuis des milliards d’années », explique le professeur Haran. « Dans de nombreux processus pathologiques, notamment la neurodégénérescence et le cancer, le contrôle qualité des protéines cellulaires fait défaut, ce qui entraîne l’accumulation de protéines mal repliées. Il est essentiel de comprendre les mécanismes de contrôle pour découvrir pourquoi cela se produit et comment on pourrait l’empêcher. De plus, les machines AAA+ remplissent de nombreuses fonctions au-delà du contrôle qualité : elles transportent des protéines et du matériel génétique et les font passer à travers les membranes, et nous émettons l’hypothèse que le mécanisme brownien que nous avons identifié régit également ces processus. »

En 2016, le prix Nobel de chimie a été décerné pour la mise au point de machines moléculaires artificielles, telles qu’un minuscule ascenseur, un muscle artificiel et des nano-voitures. Les nouvelles découvertes de l’Institut Weizmann pourraient permettre aux ingénieurs d’améliorer la conception de ces machines.

« L’efficacité énergétique du moteur brownien pourrait permettre une avancée majeure dans le développement de machines moléculaires artificielles », explique le professeur Haran. « À l’avenir, ces machines pourraient accomplir des tâches pratiques et être intégrées dans des moteurs et des ordinateurs. »

La Science en chiffres

Le canal utilisé par la machine moléculaire ClpB, issue de la famille AAA+, ne mesure qu’environ 13 nanomètres de long, mais il est capable de démêler efficacement des chaînes protéiques bien plus longues.

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