Une équipe de recherche du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a effectué le tout premier examen direct à l'échelle nanométrique d'une membrane cellulaire vivante. Ce faisant, il a également résolu un débat de longue date en identifiant de minuscules groupes de molécules lipidiques qui sont probablement la clé du fonctionnement de la cellule.

Les méthodes développées offrent une nouvelle plate-forme expérimentale pour les études biophysiques des membranes et, potentiellement, autres composants de la cellule. Cela pourrait s'avérer utile pour de futures recherches sur des interactions importantes telles que médicament-membrane, biocarburant-membrane, et même des interactions antibiotique-membrane.

Le projet multidisciplinaire, dirigé par le biophysicien John Katsaras, le chimiste Bob Standaert et le microbiologiste James Elkins—a été réalisée au réacteur à isotope à haut flux et à la source de neutrons de spallation du laboratoire en utilisant la bactérie Bacillus subtilis . L'équipe a publié ses conclusions dans la revue Biologie PLoS .

La membrane d'une cellule est une mince bicouche de molécules lipidiques parmi lesquelles résident d'autres biomolécules telles que des protéines. Les chercheurs ne savent pas si les lipides membranaires s'organisent parfois en groupes appelés domaines, également connu sous le nom de « radeaux », " ou s'ils sont distribués de manière aléatoire dans la membrane. On pense que l'organisation des lipides dans des domaines distincts au sein de la membrane cellulaire permet des fonctions telles que la signalisation entre les cellules.

"C'est devenu un débat, " dit Katsaras. " Certaines personnes croyaient qu'elles existaient, tandis que d'autres pensaient que non. Il y avait beaucoup de preuves circonstancielles qui pouvaient soutenir les deux côtés. »

Le problème était que les techniques existantes n'étaient pas capables de résoudre sans équivoque cette question.

L'analyse de la diffusion des neutrons a été la clé du succès du projet. Les domaines lipidiques sont trop petits pour être vus par des microscopes optiques qui utilisent la lumière pour sonder des échantillons tels que des cellules biologiques. Cependant, les neutrons n'ont pas une telle limitation et peuvent être utilisés pour fournir une vue à l'échelle nanométrique d'une cellule. De plus, contrairement à d'autres outils à l'échelle nanométrique, les neutrons peuvent être utilisés pour examiner une cellule vivante sans l'endommager.

Alors que l'analyse par diffusion de neutrons a surmonté les limitations des autres technologies, il présentait ses propres défis de taille. La première consistait à développer une expérience dans laquelle les neutrons se dispersaient des molécules lipidiques dans la membrane sans interagir avec d'autres composants de la cellule, comme les protéines, ARN, ADN et glucides. Le défi suivant était de distinguer un type de molécule lipidique d'un autre.

La solution à ces deux défis réside dans l'utilisation du deutérium, isotope de l'hydrogène dont le noyau contient un neutron ainsi qu'un proton. Par contre, les noyaux d'hydrogène communs contiennent un proton mais pas de neutron. Alors qu'une cellule biologique elle-même perçoit peu de différence entre l'hydrogène normal et le deutérium, les deux isotopes semblent très différents lorsqu'on les regarde en utilisant la diffusion des neutrons.

L'équipe ORNL a créé une souche de la bactérie contenant suffisamment de deutérium pour rendre les structures cellulaires essentiellement invisibles aux neutrons. Ils se sont ensuite assurés que les molécules lipidiques à l'intérieur de la membrane étaient entièrement constituées de deux acides gras contenant des proportions spécifiques de deutérium et d'hydrogène.

Ils ont ensuite introduit les deux types d'acides gras avec des rapports isotopiques différents. La membrane cellulaire était libre de créer et d'incorporer dans sa membrane des molécules lipidiques à partir de celles-ci, avec chaque type de lipide contenant alors un mélange spécifique des deux isotopes. Si les lipides étaient répartis au hasard dans toute la membrane, alors la membrane semblerait uniforme lorsqu'elle est exposée aux neutrons, semblable à un fond optique qui était gris moyen.

Si, cependant, les lipides réunis avec d'autres de leur type, le fond cesserait d'être uniforme et présenterait l'équivalent de zones grises plus claires et plus foncées. C'est en fait ce que l'équipe a trouvé. Les taches grises détectées à l'aide de neutrons mesuraient moins de 40 nanomètres de diamètre. La membrane elle-même avait une épaisseur d'environ 2,4 nanomètres.

Les chercheurs de l'ORNL ont souligné que leur approche consistant à créer un contraste interne au sein des cellules vivantes à l'aide d'isotopes était également prometteuse pour d'autres recherches, ouvrir la technique de deutération ciblée à d'autres techniques physiques (par exemple, spectroscopie par résonance magnétique nucléaire).

"Les personnes qui étudient ces choses ont tendance à utiliser des types particuliers de sondes, " a noté Katsaras. " Ils n'ont pas utilisé la diffusion de neutrons parce qu'elle n'était pas dans la timonerie du biologiste. Notre nouvelle approche expérimentale ouvre de nouveaux domaines de recherche.

"Par exemple, vous pourriez utiliser les bactéries modifiées comme plate-forme pour étudier les antibiotiques, parce que beaucoup de ces antibiotiques parlent vraiment à la membrane."