Le monde à l'intérieur de la cellule humaine est devenu un peu plus intéressant ces dernières années à mesure que le rôle d'une nouvelle structure biologique est devenu plus clair.

On a longtemps cru que les opérations les plus importantes de la cellule se produisaient au sein des organites. "Ils sont là pour remplir certaines fonctions. Par exemple, les mitochondries génèrent l'énergie sur laquelle tout fonctionne, " a expliqué Alexeï Aksimentiev, professeur de physique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. "Ce qui est commun à tous, c'est qu'ils sont entourés d'une membrane lipidique. Ce que les gens ont récemment découvert, c'est qu'il existe des organites qui n'ont pas de bicouche lipidique. Ils s'assemblent spontanément sous forme de gouttelettes. Et ces organites ont des fonctions particulières. ."

Dans les années récentes, avec des capacités d'imagerie améliorées, les rôles, occurrence, et le comportement de ces organites sans membrane est devenu plus clair. En 2017, on leur a donné un nom :les condensats biologiques. On pense qu'ils jouent un rôle dans la réparation et le vieillissement de l'ADN, et les chercheurs pensent qu'un certain nombre de maladies neurologiques sont liées au fait que le condensat ne fonctionne pas correctement, dont la sclérose latérale amyotrophique, ou SLA, où les cellules nerveuses se décomposent, entraînant une perte de la fonction musculaire.

"Disons que vous avez de l'ADN et qu'il a soudainement une pause. C'est généralement une très mauvaise chose, car il ne peut pas se répliquer, mais il y a une machine qui viendra la réparer, " expliqua-t-il. " Une bulle de condensat se forme qui n'attire miraculeusement que les molécules nécessaires à la réparation de l'ADN. Il existe toutes sortes de condensats différents et ils recrutent tous les bonnes molécules d'une manière ou d'une autre."

Comment ces organites sans membrane se forment-ils spontanément ? Et comment recrutent-ils d'autres molécules pour les aider ?

La physique de ce processus semble similaire à la séparation de phases, comme la façon dont l'huile et l'eau forment spontanément des gouttelettes dans les bonnes conditions, mais avec quelques différences. En séparation de phases normale, la température motive généralement la séparation. En biologie, c'est un changement de concentration.

"Nous ne savons pas exactement comment cela fonctionne, " a déclaré Aksimentiev. " Je suis particulièrement intéressé par la façon dont ce recrutement se passe, et comment les molécules reconnaissent d'autres molécules."

Aksimentiev utilise le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), l'un des plus rapides au monde, pour mieux comprendre ce processus. Au cours de la dernière décennie, lui et d'autres ont développé les outils et les méthodes pour explorer le comportement des systèmes biologiques au niveau atomique à l'aide de simulations de dynamique moléculaire.

Aksimentiev est capable de simuler des systèmes biologiques avec des millions d'atomes en interaction dans un environnement réaliste pendant des microsecondes, voire des millisecondes, les échelles de temps auxquelles les systèmes biologiques fonctionnent. Les supercalculateurs d'aujourd'hui permettent de plus grandes, simulations plus rapides, et permettre aux scientifiques de poser et de répondre à de nouvelles questions.

Même selon les normes du domaine, les condensats biologiques sont difficiles à étudier informatiquement. Contrairement à d'autres systèmes ordonnés comme les protéines avec des structures rigides connues, ou des systèmes désordonnés comme l'eau, les condensats biologiques sont ce qu'on appelle « partiellement désordonnés », un type de structure particulièrement difficile à simuler.

Écrire dans le Journal des lettres de chimie physique en mai 2020, Aksimentiev et Han-Yi Chou, étudiant diplômé (FUS). Une protéine nucléaire liant l'ADN/ARN, FUS régule différentes étapes de l'expression des gènes, y compris la transcription, l'épissage et le transport de l'ARNm. La recherche a été financée par des subventions de la National Science Foundation et des National Institutes of Health.

Les chercheurs ont montré qu'un modèle de dynamique moléculaire à base de particules peut reproduire les propriétés connues de séparation de phases d'un condensat FUS, y compris sa concentration critique et sa susceptibilité aux mutations.

Ils ont également montré qu'ils pouvaient utiliser la théorie de l'effondrement des chaînes pour déterminer les propriétés thermodynamiques du condensat et les lier aux changements de forme des molécules de condensat individuelles.

Le comportement d'un condensat biologique, avec toutes ses interactions inter- et intramoléculaires complexes, peut être décrit par un modèle de physique des polymères, ils ont trouvé. Cela fait de la modélisation informatique un outil utile pour découvrir le comportement de ces acteurs cellulaires encore mystérieux.

La recherche d'Aksimentiev ouvre la voie à de futures études qui élucideront les mécanismes moléculaires à l'origine de la formation de gouttelettes dans des condensats biologiques plus complexes, comme ceux qui réparent l'ARN. Le travail est une étape sur un long chemin pour élucider pleinement le mystère des condensats biologiques dans les cellules - un autre tour de la nature lentement découvert.