Des biophysiciens de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich ont montré qu'un phénomène connu sous le nom de diffusiophorèse, qui peut conduire à un transport dirigé de particules, peut se produire dans les systèmes biologiques.

Pour remplir leurs fonctions biologiques, les cellules doivent veiller à la bonne exécution de leurs plannings logistiques, de telle sorte que les cargaisons moléculaires nécessaires soient livrées à temps à leurs destinations prévues. La plupart des mécanismes de transport connus dans les cellules reposent sur des interactions spécifiques entre la cargaison à transporter et les protéines motrices consommatrices d'énergie qui acheminent la charge jusqu'à sa destination. Un groupe de chercheurs dirigé par le physicien LMU Erwin Frey (Chaire de physique statistique et biologique) et Petra Schwille de l'Institut Max Planck de biochimie a maintenant montré pour la première fois qu'une forme de transport dirigé de particules peut avoir lieu dans les cellules, même en l'absence de moteurs moléculaires. Par ailleurs, ce mécanisme permet de trier les particules transportées selon leur taille, comme le rapporte l'équipe dans le dernier numéro de Physique de la Nature.

L'étude porte sur le système MinDE de la bactérie E. coli, qui est un modèle établi et important pour la formation de modèles biologiques. Les deux protéines MinD et MinE oscillent entre les pôles de la cellule en forme de bâtonnet et leur interaction mutuelle sur la membrane cellulaire restreint finalement le plan de division cellulaire au centre de la cellule. Dans ce cas, les chercheurs ont reconstruit le système MinDE formant le motif dans le tube à essai, utilisant les protéines Min purifiées et des membranes artificielles. Comme prévu par les expériences précédentes, lorsque la molécule riche en énergie ATP a été ajoutée à ce système, les protéines Min ont récapitulé le comportement oscillatoire observé dans les cellules bactériennes. Plus important, les expérimentateurs ont ensuite démontré que de nombreux types de molécules différentes pouvaient être captées par les ondes oscillatoires lorsqu'elles traversaient les membranes, même des molécules qui n'avaient rien à voir avec la formation de motifs et ne se trouvaient pas du tout dans les cellules.

Une machine de tri pour l'origami ADN

Afin d'analyser plus en détail le mécanisme de transport, l'équipe s'est tournée vers des cargaisons composées d'origami ADN, et pourrait être ancré à la membrane. Cette stratégie permet de créer des structures moléculaires de différentes tailles et formes, basé sur des interactions d'appariement de bases programmables entre des brins d'ADN. « Ces expérimentations ont montré que ce mode de transport dépend de la taille de la cargaison, et que MinD peut même trier les structures en fonction de leur taille, " dit Béatrice Ramm, un post-doctorant dans le département de Petra Schwille et co-auteur de la nouvelle étude.

A l'aide d'analyses théoriques, Le groupe de Frey a ensuite identifié le mécanisme de transport sous-jacent comme étant la diffusiophorèse, le mouvement dirigé des particules le long d'un gradient de concentration. Dans le système Min, le frottement entre la cargaison et les protéines Min diffusantes est responsable du transport de la cargaison. Ainsi, le facteur crucial dans ce contexte n'est pas un ensemble spécifique d'interactions biochimiques - comme dans le cas du transport via des protéines motrices dans les cellules biologiques - mais les tailles effectives des particules impliquées. "Les particules qui sont plus fortement affectées par le frottement, en raison de leur grande taille, sont aussi transportés plus loin, c'est ce qui explique le tri par taille, " dit Andriy Goychuk, également co-premier auteur de l'article.

Avec ces résultats, l'équipe a démontré l'implication d'une forme de transport purement physique (par opposition à une forme biologique) basée sur la diffusiophorèse dans un système de formation de motifs biologiques. "Ce processus est si simple et fondamental qu'il semble probable qu'il joue également un rôle dans d'autres processus cellulaires, et pourrait même avoir été employé dans les premières cellules à l'origine de la vie, " dit Frey. " Et à l'avenir, il pourrait également être possible de l'utiliser pour positionner des molécules à des sites spécifiques au sein de cellules minimales artificielles, " il ajoute.