Presque toutes les bactéries dépendent des mêmes valves d’urgence – des canaux protéiques qui s’ouvrent sous pression, libérant un déluge de contenu cellulaire. C’est un effort ultime, une sécurité intégrée qui empêche les bactéries d’exploser et de mourir lorsqu’elles sont étirées à la limite. Si nous comprenions le fonctionnement de ces canaux protéiques, les antibiotiques pourraient être conçus pour les ouvrir à la demande, drainant une bactérie de ses nutriments en exploitant une vanne d’inondation commune à de nombreuses espèces.
Mais ces canaux sont difficiles à exploiter en laboratoire. Et la précision avec laquelle ils s’ouvrent et se ferment, passant par un état sous-conducteur et se terminant dans un état désensibilisé sous l’influence de forces mécaniques, reste mal comprise. À présent, nouvelle recherche du laboratoire de Rockefeller Thomas Walz introduit une nouvelle méthode pour activer et visualiser ces canaux, permettant d’expliquer leur fonction. Les résultats mettent en lumière les principales protéines membranaires des bactéries, et la même méthode peut être utilisée pour améliorer notre compréhension de canaux similaires chez l’homme.
La protéine du canal MSCS (rose) avec ses lipides associés (vert foncé, vert clair, rouge) intégrés dans un nanodisque (gris). Crédit d’image: Université Rockefeller
«Nous avons en fait pu voir le cycle entier du canal protéique passer par une série d’étapes fonctionnelles», explique Walz.
Walz s’est longtemps concentré sur MscS, une protéine intégrée dans les membranes bactériennes qui s’ouvrent en réponse à une force mécanique. MscS les protéines existent à l’état fermé tout en reposant dans une membrane épaisse. Les scientifiques soupçonnaient autrefois que, lorsque l’accumulation de liquide fait gonfler la cellule et met sous tension la membrane, elle s’étire si mince que ses protéines font saillie. Poussés dans un environnement inconnu, les canaux protéiques s’ouvrent, libérant le contenu de la cellule et soulageant la pression jusqu’à ce que la membrane revienne à son épaisseur d’origine et que ses canaux se ferment.
Mais quand Yixiao Zhang, postdoctoral associé au Walz Group, a testé cette théorie il y a plus de cinq ans, reconstituant MscS protéines dans de petits patchs membranaires conçus sur mesure, il a découvert qu’il était impossible de prix le canal ouvert par l’amincissement des membranes dans la plage naturelle. «Nous avons réalisé que l’amincissement de la membrane n’est pas la façon dont ces canaux s’ouvrent», dit Walz.
Ces correctifs personnalisés, appelés nanodisques, permettent aux chercheurs d’étudier des protéines dans un environnement membranaire essentiellement natif et de les visualiser par cryo-microscopie électronique. Walz et Zhang ont résolu de repousser les limites de nanodisque technologie, éliminant les lipides membranaires avec la β-cyclodextrine, un produit chimique utilisé pour exciser le cholestérol des cultures cellulaires. Cette tension a induit une tension dans la membrane, et Walz et son équipe ont pu observer avec la microscopie cryoélectronique alors que le canal réagissait en conséquence – finissant par se fermer définitivement, un phénomène connu sous le nom de désensibilisation.
Ce qu’ils ont observé correspondait à des simulations informatiques et à un nouveau modèle pour la fonction de MscS émergé. Lorsque le liquide s’accumule à l’intérieur de la cellule, ils ont découvert que les lipides sont appelés de tous les coins pour aider à soulager la tension dans toute la membrane. Si la situation devient désastreuse, même les lipides associés au MscS les canaux fuient. Sans que les lipides ne les maintiennent fermés, les canaux ont suffisamment d’espace pour s’ouvrir.
«Nous avons pu voir que lorsque vous exposez les membranes à la β-cyclodextrine, les canaux s’ouvrent puis se referment», explique Walz.
La nouvelle méthode de manipulation de Walz et Zhang nanodisques avec la β-cyclodextrine permettra aux chercheurs d’étudier des dizaines de canaux protéiques mécanosensibles similaires pour, enfin, tester leurs hypothèses en laboratoire. Beaucoup de ces protéines jouent un rôle clé chez l’homme, de l’audition et du toucher à la régulation de la pression artérielle. D’un intérêt plus immédiat, cependant, est la perspective d’exploiter les canaux protéiques sur lesquels de nombreuses bactéries différentes dépendent pour survivre. Les nouvelles cibles médicamenteuses sont une nécessité particulière, étant donné l’apparition de bactéries dangereuses résistantes aux antibiotiques telles que le SARM.
MscS et le canal protéique bactérien associé MscL sont des «cibles médicamenteuses extrêmement intéressantes», dit Walz. «Presque toutes les bactéries possèdent une de ces protéines. Parce que ces canaux sont si largement distribués, un médicament qui cible MscS ou alors MscL pourrait devenir un antibiotique à large spectre.
La source: Université Rockefeller
