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    Les neutrons aident à mesurer la viscosité de la membrane cellulaire et révèlent sa base

    Crédit : Institut national des normes et de la technologie

    Nous avons maintenant une image plus claire de la danse moléculaire rapide comme l'éclair qui se produit dans la membrane qui entoure chaque cellule de notre corps, révélé en partie par des faisceaux de neutrons au National Institute of Standards and Technology (NIST). Les résultats peuvent avoir des applications dans le développement de médicaments, et ils abordent également des mystères fondamentaux de longue date sur les raisons pour lesquelles les membranes cellulaires se déplacent comme elles le font.

    La recherche, publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , fournit de nouvelles informations sur la façon dont les mouvements des molécules lipidiques individuelles qui forment la membrane affectent ses propriétés globales, en particulier sa viscosité, ou résistance à l'écoulement. Il est important de comprendre ces propriétés car la membrane - la frontière entre la cellule et son environnement - détient la clé pour accéder à son intérieur.

    "Nous avons découvert l'échelle de temps à laquelle les molécules lipidiques se déplacent, et nous l'avons relié à la viscosité de la membrane, " a déclaré Michihiro Nagao, un scientifique du NIST et de l'Université du Maryland qui a effectué le travail avec ses collègues du NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Nous avons des preuves d'où vient la viscosité, et nous montrons aussi que nos outils peuvent l'étudier. Nous n'avions pas de technique efficace pour l'explorer avant, c'est donc une avancée importante."

    Alors que la membrane est une barrière nominalement solide entre la cellule et son environnement, les molécules de lipides gras qui le composent s'embrassent alternativement, glissent et se réassocient continuellement, faire en sorte que la membrane agisse plus comme un collant, fluide visqueux comme le miel ou l'huile. En suspension dans la membrane se trouvent des protéines membranaires et des canaux de transport qui fonctionnent comme des passerelles vers l'intérieur de la cellule. Jusque récemment, bien que, il était difficile d'étudier efficacement les molécules lipidiques car elles se déplacent si rapidement que leur danse était difficile à suivre.

    "Essayer de comprendre comment fonctionnent les canaux protéiques sans considérer la membrane, c'est comme essayer de comprendre un poisson sans considérer l'eau, " a déclaré Elizabeth Kelley du NIST. "Nous voulions une meilleure perception de la façon dont les lipides se déplacent."

    Visualiser ces mouvements est désormais possible en les sondant avec les neutrons du NCNR et les rayons X du synchrotron japonais SPring-8. Les scientifiques des deux installations ont collaboré pour obtenir les résultats. Ils ont d'abord créé une membrane modèle de molécules lipidiques, dont chacun a une tête bulbeuse qui forme les surfaces externes de la membrane et deux queues qui forment son intérieur. Les lipides étaient essentiellement identiques à ceux des membranes cellulaires naturelles, à l'exception que tous les atomes d'hydrogène ont été remplacés par du deutérium, ce qui apparaît plus clairement dans les analyses neutroniques.

    Une membrane, qui n'a que deux molécules d'épaisseur, est essentiellement une feuille d'huile bidimensionnelle, ce qui rend difficile la recherche de sa viscosité lorsqu'il se déplace. Bien qu'il soit plus facile de rechercher des huiles 3D, les tentatives passées pour estimer la viscosité des membranes lipidiques 2D à partir de la viscosité de l'huile 3D correspondante n'ont pas bien fonctionné. Les nouvelles découvertes indiquent que l'emballage des lipides dans une membrane ralentit leurs mouvements et augmente les interactions entre les molécules, conduisant à une viscosité plus élevée que celle d'un fluide 3D.

    Les faisceaux de neutrons ont aidé l'équipe à explorer deux types de mouvement moléculaire liés à la viscosité de la membrane. Un type concernait le mouvement des queues dans la membrane modèle. Les queues, qui sont étroitement emballés dans une couche encore plus fine entre les têtes des lipides, aller très vite, tremblant une fois toutes les 10 picosecondes, ou des billions de seconde. Bien que ces mouvements soient incroyablement rapides, ils sont en fait un ordre de grandeur plus lent que ce que les scientifiques ont prédit à partir des mouvements dans une huile liquide 3D, suggérant que la structure de la membrane 2D et les interactions entre les lipides sont essentielles pour déterminer sa viscosité.

    L'autre type concernait le mouvement des molécules lipidiques entières lorsqu'elles dansaient les unes autour des autres à l'intérieur de la membrane. Les molécules, il s'avère, se déplacent environ 10 fois plus lentement que leur queue. Le frottement que subissent les molécules, combiné avec le frottement entre leurs queues, produit une mesure de viscosité qui se situe au milieu de la plage d'estimations de viscosité indiquée par les efforts de recherche antérieurs, suggérant que les mesures tiennent compte de tous les facteurs qui contribuent à la viscosité.

    "C'est une combinaison de sources de friction sur les molécules qui crée la viscosité de la membrane, " dit Nagao. " Vous devez considérer que les queues se contactent, les molécules pleines se frottant les unes contre les autres et certains autres facteurs tels que les têtes interagissant avec l'eau qui les entoure. Mais si vous rassemblez toutes les sources, vous obtenez une mesure de viscosité qui s'accorde bien avec les estimations précédentes."

    La plupart des données expérimentales ont été obtenues à l'aide du spectromètre à écho de spin à neutrons, l'un des cinq instruments CHRNS qui sont partiellement financés par la National Science Foundation pour aider à explorer les matériaux. Les mouvements à l'échelle moléculaire qu'il a révélés sont relativement faciles à étudier à l'aide de techniques de simulation informatique, ce qui signifie que les connaissances fondamentales fournies par l'expérience pourraient aider à améliorer ces calculs et ainsi aider à la découverte de médicaments.

    « Mesurer la viscosité nous aide à comprendre à quelle vitesse les choses se déplacent dans la membrane et combien de temps il faut pour ouvrir la cellule, " a déclaré Kelley. "Ces types d'informations peuvent nous aider à concevoir des médicaments qui en tirent parti."

    Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.




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