chercheurs de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich, Allemagne, ont caractérisé le mécanisme physique qui permet à un pathogène bactérien répandu d'adhérer aux tissus de son hôte humain.

Les agents pathogènes bactériens ont développé des stratégies très efficaces qui leur permettent d'adhérer aux cellules cibles et aux niches dans les tissus de leurs organismes hôtes. Ils font même usage de principes physiques relativement peu familiers, comme une nouvelle étude dans la revue Science démontre. En collaboration avec des scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Lukas Milles et le professeur Hermann Gaub de la Faculté de physique du LMU ont découvert le mécanisme qui permet à la bactérie Staphyloccus epidermidis de se lier avec une telle ténacité aux tissus de l'hôte. En effet, l'équipe a non seulement identifié la base physique de l'interaction, mais a également caractérisé le mécanisme d'adhérence avec des détails sans précédent.

Cet exploit a été rendu possible par la nouvelle approche à deux volets utilisée dans l'étude. Les chercheurs ont utilisé la microscopie à force atomique pour mesurer la force de liaison entre une protéine d'adhésion staphylococcique (SdrG de Staphylococcus epidermidis) et son ligand apparenté (fibrinogène β) au niveau d'une molécule unique in vitro, et calculé les contributions de tous les atomes impliqués dans l'interaction in silico, à l'aide d'un supercalculateur particulièrement puissant. "Ce paradigme innovant donne des informations qui étaient auparavant inaccessibles, " fait remarquer Gaub. Afin de décortiquer le mécanisme d'adhésion, le supercalculateur Blue Waters de l'Université de l'Illinois, avec ses 900, 000 processeurs parmi les plus avancés au monde, effectué des simulations détaillées de dynamique moléculaire. La ténacité de l'interaction a surpris l'équipe. "La force de liaison mécanique qui maintient ensemble les composants d'un même complexe s'élève à plus de 2 nanonewtons (nN). C'est une valeur extraordinaire pour une interaction non covalente, comparable à la force des liaisons covalentes entre atomes, quelles sont les liaisons moléculaires les plus stables que nous connaissons, " dit Gaub.

L'étude montre que, grâce à la géométrie de l'interaction, la protéine d'adhésion forme un réseau dense de liaisons hydrogène non covalentes avec son ligand. De plus, ce réseau est médié par les liaisons peptidiques qui constituent le squelette répétitif de la protéine, plutôt que les chaînes latérales variables qui différencient ses sous-unités d'acides aminés. Le grand nombre d'interactions locales impliquées conduit à un raidissement de chaque liaison hydrogène, ce qui donne lieu à ce que les physiciens appellent « une géométrie de cisaillement coopérative ». « Ce genre de structure peut résister à des contraintes extrêmes, parce que tous les liens individuels doivent être brisés à la fois afin de séparer le complexe, " comme l'explique Lukas Milles. Le mécanisme est analogue à l'interaction entre les nombreux petits crochets et boucles sur deux bandes Velcro, qui sont extrêmement difficiles à séparer lorsqu'ils sont tirés des extrémités opposées. « La bactérie utilise un mécanisme très inhabituel, qui est à la fois extrêmement complexe et très efficace, et confère au pathogène un avantage décisif, " dit Gaub. Puisque le mécanisme est basé sur les squelettes peptidiques des molécules en interaction, qui est commun à toutes les protéines, ce niveau de stabilité peut être atteint dans des interactions avec un large éventail de cibles. En d'autres termes, la résistance mécanique extrêmement élevée de l'interaction est largement indépendante à la fois de la séquence d'acides aminés de la protéine d'adhésion et des propriétés biochimiques du peptide cible.

Les staphylocoques sont responsables d'un large éventail d'infections chez les animaux et chez l'homme. "Les bactéries pathogènes se lient aux molécules cibles sur les cellules hôtes avec une persistance inhabituelle, et ceci a sa base dans les principes physiques. Dans la recherche de moyens de bloquer les infections invasives, une meilleure compréhension des principes physiques mis en jeu est vitale, " dit Hermann Gaub. Ainsi, la nouvelle étude jette les bases du développement de nouvelles thérapies pour le traitement des infections à staphylocoques.