Chacune de nos cellules est entourée d'une membrane complexe qui fonctionne comme une frontière biologique, laisser les ions et les nutriments comme le sel, potassium et sucre entrant et sortant. Les gardes sont des protéines membranaires, qui font le dur travail de permettre ou de bloquer le trafic de ces molécules.

Chaînes de molécules d'eau liées, appelés fils d'eau, jouent un rôle important dans ce processus que l'on croyait bien compris. Maintenant, une équipe du laboratoire national de champ magnétique élevé (MagLab) de la Florida State University, dont le siège est à Florida State University, remet en question des hypothèses de plusieurs décennies sur la façon dont elles interagissent réellement avec les protéines.

Leur article a été publié aujourd'hui dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Alors que les scientifiques savaient que les fils d'eau jouaient un rôle dans la conduite des nutriments à travers la membrane cellulaire, ils ont largement sous-estimé leurs interactions avec le canal membranaire. Cette découverte a des ramifications étendues, les chercheurs ont dit, remettre en question les modèles existants sur le comportement de l'eau à l'intérieur d'autres protéines.

"C'est là que cela devient vraiment intéressant d'un point de vue biologique, " a déclaré l'auteur correspondant Tim Cross, directeur de l'installation de résonance magnétique nucléaire (RMN) basée à Tallahassee au National MagLab et professeur de chimie Robert O. Lawton. "Maintenant, nous comprenons que ces interactions entre l'eau et les atomes d'oxygène de la protéine tapissant le pore vont être beaucoup plus fortes que quiconque ne l'avait prévu. Et cela va influencer le fonctionnement de ces protéines."

Le travail est aussi important, Croix ajoutée, parce qu'il montre comment un unique, aimant record du monde, connu sous le nom de Series Connected Hybrid (SCH), donne aux scientifiques l'accès à de nouveaux détails sur les protéines et d'autres systèmes biologiques.

Leur étude a porté sur la gramicidine A, un peptide antibiotique (ou petite protéine) qui a la forme d'une hélice. Deux de ces molécules empilées l'une sur l'autre créent un canal étroit dans certaines membranes cellulaires à travers lequel les ions peuvent entrer et sortir. Un fil d'eau de huit molécules de long couvrant la longueur du canal agit comme une sorte de lubrifiant dans ce processus. Les hydrogènes de ces molécules d'eau se lient à certains des atomes d'oxygène de la gramicidine qui les entoure. On pensait que les orientations des molécules de fil d'eau changeaient extrêmement rapidement, liaison et déliaison avec les atomes d'oxygène dans la gramicidine A plusieurs fois par nanoseconde.

Cependant, lorsque l'équipe du MagLab a examiné de plus près ce système, ils ont découvert quelque chose qui remettait en question cette opinion dominante. Leur premier indice est venu il y a environ deux ans, quand Joana Paulino, puis chercheur postdoctoral au MagLab en collaboration avec Cross, mis de la gramicidine A spécialement traitée dans le SCH et effectué des expériences de RMN.

Les scientifiques utilisent des machines RMN pour mieux comprendre la structure et la fonction de molécules complexes comme les protéines et les virus. Ils peuvent régler la machine pour identifier, par exemple, tous les atomes de sodium d'un échantillon et leurs orientations vis-à-vis des autres atomes. Chaque atome renvoie un signal révélateur à la machine.

Mais certains atomes sont plus faciles à détecter par RMN que d'autres. Oxygène, par exemple, est assez difficile à voir. Donc, jusque récemment, l'un des atomes les plus biologiquement actifs du corps était pratiquement invisible à la RMN. En partie grâce à un puissant aimant générant un champ de 36 teslas (une unité d'intensité de champ magnétique), le SCH peut "voir" l'oxygène.

Les échantillons de gramicidine spécifiques que Paulino examinait avaient déjà été étudiés en profondeur des années plus tôt dans un autre aimant RMN puissant au MagLab. Cross a établi sa carrière avec ses travaux sur la gramicidine, connue pour être une structure parfaitement symétrique :la dernière chose à laquelle il s'attendait était une surprise.

L'échantillon de gramicidine était composé de deux échantillons identiques, empilé, molécules hélicoïdales. Paulino a examiné exactement le même atome d'oxygène sur les deux, en espérant que le SCH, plus sensible, détecterait un signal plus clair de ces deux atomes que ce qui avait été observé auparavant.

Mais elle n'a pas vu un seul signal d'oxygène :elle en a vu deux.

Au premier abord, les résultats semblaient suggérer quelque chose qui clochait avec le modèle d'une gramicidine A parfaitement symétrique - le modèle qui avait valu à Cross son mandat. Sa réaction immédiate aux mesures de Paulino était, "Bien, ça doit être faux."

Sa pensée suivante :" Ou, cela pourrait être quelque chose de très intéressant."

Des expériences répétées ont montré que le premier résultat de Paulino était en effet correct, mais pas parce que les molécules étaient asymétriques. Plutôt, le SCH était si sensible qu'il a détecté un signal d'un oxygène de gramicidine qui était lié au fil d'eau, et un signal séparé d'un oxygène de gramicidine qui n'était pas lié au fil.

L'équipe a passé des années à mener d'autres expériences pour s'assurer qu'ils comprenaient ce qu'ils voyaient.

"Chaque fois que nous avons analysé un échantillon de gramicidine marqué sur un site d'oxygène différent et que nous avons vu deux pics, nous avons fait une petite danse, " dit Paulino, auteur principal de l'article et maintenant chercheur postdoctoral en biochimie et biophysique à l'Université de Californie à San Francisco.

Le fait que le SCH ait pu détecter le signal de l'oxygène lié, les chercheurs ont déterminé, signifiait que les interactions entre le fil d'eau et la paroi des pores de la gramacidine A étaient beaucoup plus fortes et plus durables - plus d'un million de fois plus longtemps, En réalité, que les scientifiques ne l'avaient cru.

"Les énergies associées au processus sont clairement différentes de ce qui était imaginé, " Cross dit. " Alors, nous devons revenir en arrière maintenant et jeter un œil à l'énergétique et à la façon dont ces fils d'eau fonctionnent réellement."

Les résultats sont pertinents pour de nombreux autres types de protéines qui comportent des fils d'eau dans leurs membranes cellulaires.

"L'excitation est maintenant de vraiment commencer à penser à tous ces autres fils d'eau dans les protéines qui conduisent les ions qui sont essentiels à la vie, " Croix a dit, "et de comprendre comment cela va influencer ces interactions et taux de conductance."

Les résultats sont susceptibles de ébouriffer certaines plumes scientifiques car ils contredisent les modèles informatiques de la dynamique moléculaire des fils d'eau qui ont été acceptés depuis des décennies, dit Croix.

"Les scientifiques ont une assez bonne compréhension de beaucoup de choses, " Cross a expliqué. "Mais de temps en temps, quelque chose surgit à l'improviste et nous oblige à repenser les choses. Il n'y a rien là-bas qui laisserait entendre qu'il y avait un problème avec ces études de calcul – jusqu'à cela. »