Les biologistes cellulaires de Johns Hopkins rapportent ce qu'ils croient être la toute première création de minuscules amas de type gélatine à base de protéines appelés hydrogels à l'intérieur de cellules vivantes. La possibilité de créer des hydrogels à la demande, ils disent, devrait faire avancer la longue lutte scientifique pour étudier les structures insaisissables - qui se forment dans la nature lorsque des protéines ou d'autres molécules s'agrègent dans certaines conditions - et pour découvrir leurs contributions présumées aux maladies humaines.

"La partie passionnante de ce travail n'est pas seulement que nous avons fait des hydrogels, mais que nous sommes maintenant équipés de cette technique puissante qui nous permet de poser des questions fondamentales - et très difficiles - à leur sujet, " dit Takanari Inoue, Doctorat., professeur agrégé de biologie cellulaire à la faculté de médecine de l'Université Johns Hopkins et auteur principal du rapport sur la recherche publié en ligne le 6 novembre dans la revue Matériaux naturels .

Un hydrogel est tout matériau de gel solide qui se maintient en raison des liens étroits entre ses molécules, mais qui absorbe également beaucoup d'eau. Les hydrogels artificiels sont utilisés dans des produits de tous les jours tels que les lentilles de contact, couches jetables et gels capillaires, qui exploitent leur nature hydrique.

Dans les cellules vivantes, la plupart des structures flottantes sont entourées de membranes qui les aident à conserver leur forme dans le cytoplasme aqueux des cellules. Mais lorsque les cellules subissent un stress, de la chaleur à la famine ou à l'infection, les protéines et les molécules d'acide ribonucléique (ARN) peuvent s'agglomérer en granules de stress, qui sont exempts de membranes enveloppantes et forment souvent de petites boules semblables à du gel capillaire en suspension dans un bain d'eau.

Certains chercheurs ont émis l'hypothèse que l'accumulation de ces hydrogels naturels pourrait être liée à des maladies neurodégénératives, dont la sclérose latérale amyotrophique (SLA), et que trop ou trop peu de granules de stress pourraient avoir un impact sur la capacité des cellules à fonctionner. Mais trouver des preuves a été difficile, en partie parce que d'autres types d'hydrogels à l'intérieur des cellules peuvent être des éléments normaux de la physiologie cellulaire.

"Ces hydrogels manquent de membranes, il est donc difficile de les isoler et de les purifier, " dit Inoue. " Ils sont si fragiles qu'on ne peut pas les collecter comme on peut le faire avec des noyaux ou des mitochondries, " ajoute-t-il. Pire encore, il dit, quand leur environnement change, les granules de stress passent d'hydrogels à un autre type de structure, appelées gouttelettes liquides, de la même manière, le gel capillaire peut se dissoudre dans l'eau si vous le chauffez. Des scientifiques du monde entier ont essayé d'injecter des hydrogels chimiques dans des cellules vivantes pour les étudier, mais généralement les cellules deviennent malades, probablement en raison de la toxicité des produits chimiques.

Afin de surmonter ces obstacles à l'étude, L'équipe d'Inoue a conçu un système qu'ils ont baptisé iPOLYMER, composé de deux protéines de liaison, FKBP et FRB, et un produit chimique et médicament immunosuppresseur appelé rapamycine. Les chercheurs savaient déjà que la rapamycine pouvait être utilisée pour arbitrer les interactions entre FKBP et FRB.

Des études antérieures avaient montré qu'en l'absence de rapamycine, FKBP et FRB existent en tant que protéines séparées, mais une fois la rapamycine ajoutée, il se lie aux deux, rassembler les protéines en un complexe ferme. Concevoir les protéines afin qu'elles forment la bonne structure physique pour les hydrogels a demandé beaucoup d'essais et d'erreurs, dit Inoue.

Pour créer iPOLYMER dans des cellules vivantes, les chercheurs ont conçu des cellules pour contenir deux types de chaînes de protéines composées de FKBP et de FRB en tandem, puis ajouté de la rapamycine, qui ne se trouve généralement pas dans les cellules vivantes. En observant ces cellules au microscope pendant qu'elles ajoutaient de la rapamycine, L'équipe d'Inoue a pu voir des hydrogels se former.

"A notre connaissance, c'est la première fois que quelqu'un fabrique un hydrogel dans une cellule vivante de cette façon, " dit Inoue.

Les scientifiques modifient maintenant le système iPOLYMER pour que les hydrogels intègrent des molécules d'ARN dans leurs structures, ce qui les rend mieux imitant les granules de stress observés dans les cellules humaines. Les scientifiques aimeraient également créer un système dans lequel les protéines, FKBP et FRB, forment des gouttelettes liquides afin qu'ils puissent comparer les effets des formes de gouttelettes liquides et d'hydrogel des structures protéiques.