La membrane cellulaire, la limite en forme de paroi entre l'intérieur de la cellule et son environnement extérieur, est principalement constitué de deux types de biomolécules :les lipides et les protéines. Différentes espèces de lipides s'entassent étroitement pour former une double couche, ou "bicouche, " la structure fondamentale de la membrane, tandis que les protéines sont intégrées ou attachées à la bicouche.

Les protéines membranaires sont responsables de diverses activités cellulaires importantes, et leur dysfonctionnement peut entraîner de graves problèmes de santé. L'étude des structures des protéines membranaires et de leur comportement aidera les scientifiques à mieux comprendre leur lien avec les maladies et à développer des thérapies.

Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université Vanderbilt a récemment mis en lumière la façon dont les protéines membranaires pourraient être influencées par les lipides qui les entourent. En développant un nouveau type de modèle de membrane, les scientifiques ont pu montrer que la forme et le comportement d'une protéine peuvent être altérés par l'exposition à différentes compositions lipidiques.

Les chercheurs ont confirmé la structure de la membrane artificielle à l'aide de la diffusion de rayons X et de neutrons au Brookhaven (BNL) du ministère de l'Énergie (DOE) et aux laboratoires nationaux d'Oak Ridge (ORNL). Leurs découvertes ont été publiées dans le Journal of the American Chemical Society.

"Ce travail a montré qu'une protéine peut changer assez profondément dans différents environnements lipidiques membranaires, et nous pensons que cela ouvre un tout nouveau domaine de recherche, " dit Charles Sanders, professeur de biochimie à l'Université Vanderbilt et auteur correspondant de la nouvelle étude.

Dispositions lipidiques et modèles de membranes cellulaires

Les membranes cellulaires sont composées d'une variété de molécules lipidiques. Récemment, des études ont montré que certains lipides des membranes cellulaires peuvent se regrouper pour former des amas, également connu sous le nom de radeaux. Certains scientifiques suggèrent que les radeaux peuvent se déplacer à travers la membrane et coexister avec des molécules non groupées. "Un radeau lipidique, c'est comme une clique à une fête, " a déclaré Sanders. "Ils peuvent se déplacer dans la fête, mais ce sont toujours les mêmes personnes qui se parlent."

Son laboratoire explore comment les radeaux pourraient avoir un impact sur les protéines membranaires et les activités cellulaires qui leur sont associées. Dans le nouveau travail, Sanders et une équipe de chercheurs ont créé une membrane synthétique capable d'incorporer des quantités abondantes de deux molécules lipidiques censées constituer des radeaux dans les membranes cellulaires :le cholestérol et la sphingomyéline. Leur approche consistait à développer des structures biologiques en forme de disque, connu sous le nom de bicelles, qui peut produire un modèle simplifié de la bicouche lipidique d'une membrane cellulaire.

"Le cholestérol et la sphingomyéline sont omniprésents dans les membranes cellulaires mais n'étaient pas présents ensemble dans les versions précédentes des bicelles, " dit John Katsaras, biophysicien et scientifique en diffusion de neutrons à l'ORNL et co-auteur de l'étude. "Cette nouvelle classe de bicelles a une composition lipidique que nous pensons être plus pertinente sur le plan biologique."

Des techniques complémentaires permettent une analyse complète

Après avoir développé les bicelles, les chercheurs ont utilisé des techniques de diffusion de neutrons et de rayons X aux petits angles pour déterminer avec précision la forme et l'organisation structurelle du matériau.

"Il est vraiment difficile de confirmer la morphologie réelle des bicelles. La diffusion des neutrons aux petits angles et des rayons X aux petits angles sont les seuls moyens d'obtenir une bonne caractérisation globale de ces particules, " dit James Hutchison, un chercheur de l'Université Vanderbilt et co-auteur de l'étude.

L'équipe a utilisé un programme d'accès commun pour la diffusion des neutrons et des rayons X aux petits angles qui permet aux chercheurs de demander plus facilement l'heure du faisceau à l'instrument Bio-SANS du réacteur isotopique à haut flux (HFIR) de l'ORNL et à l'instrument Bio-SAXS (LiX ) à la source nationale de lumière synchrotron II du BNL (NSLS-II).

Les neutrons peuvent détecter des éléments légers comme l'hydrogène, alors que les rayons X sont plus sensibles aux éléments plus lourds, ce qui signifie que chaque technique de diffusion peut révéler des informations uniques sur le même matériau. En utilisant les deux méthodes, les chercheurs ont construit un modèle plus précis du système membranaire.

"La diffusion des neutrons et des rayons X est très complémentaire, " dit Shuo Qian, scientifique en diffusion de neutrons à l'ORNL et co-auteur de l'étude. "Ensemble, ces techniques ont permis de fournir une image complète de la structure des bicelles."

Des mesures complémentaires des bicelles ont également été effectuées à l'aide de la microscopie cryoélectronique à transmission à l'Université Vanderbilt.

Découvrir de nouvelles propriétés protéiques

Pour évaluer comment la nouvelle membrane modèle pourrait être utilisée pour comprendre la composition lipidique et les relations entre les protéines membranaires, les scientifiques ont introduit leurs bicelles à un fragment de protéine bien étudié, dénommé C99. Ce fragment constitue une région d'une protéine membranaire appelée protéine précurseur amyloïde, qui, selon les experts, est lié à la maladie d'Alzheimer.

En utilisant diverses méthodes de caractérisation, l'équipe a identifié des différences dans la structure et la dynamique du fragment de protéine lorsqu'il est intégré dans le nouveau modèle de membrane. Notamment, ils ont observé que les fragments C99 s'auto-associent les uns aux autres dans des régions qui n'avaient pas été signalées auparavant dans d'autres membranes modèles. Les chercheurs émettent l'hypothèse que ces sites de liaison nouvellement découverts pourraient jouer un rôle dans la régulation d'autres interactions protéiques avec ce fragment.

L'équipe vise à mener des expériences supplémentaires pour confirmer si le nouveau système bicelle possède un environnement de radeau lipidique. Les scientifiques ont déjà identifié des propriétés de radeaux lipidiques dans des vésicules artificielles, une structure biologique creuse sphérique enveloppée d'une bicouche lipidique, mais pas dans d'autres petites particules, comme les bicelles.

"Il n'y a pas de petite particule non vésiculaire connue qui ait des propriétés lipidiques de type radeau, " a déclaré Hutchison. " Ce serait un slam dunk pour le prouver. "