Les cellules de toutes les formes de vie sont entourées d'une membrane constituée de phospholipides. L'un d'eux sont les cardiolipines, qui forment une classe distincte en raison de leur structure unique. Lors de l'étude de l'enzyme responsable de la production de cardiolipines chez les archées (organismes unicellulaires qui constituent un domaine distinct de la vie), des biochimistes de l'Université de Groningue ont fait une découverte surprenante. Une seule enzyme archéenne peut produire une gamme spectaculaire de cardiolipines naturelles et non naturelles, ainsi que d'autres phospholipides. Les résultats, qui présentent un potentiel d'applications biotechnologiques, ont été publiés dans le Journal de chimie biologique .

Les phospholipides les plus abondants dans les membranes cellulaires contiennent une tête hydrophile à laquelle sont reliées deux queues hydrophobes. Les cardiolipines - ainsi appelées parce qu'elles ont été identifiées pour la première fois dans les cellules cardiaques - sont légèrement différentes car elles sont constituées d'un seul groupe de tête attaché à quatre queues lipidiques. "Nous savons quelles enzymes sont responsables de la production de cardiolipine chez les bactéries et les eucaryotes, mais pas dans les archées, " dit Marten Exterkate, qui est le premier auteur du JBC papier.

Groupe de tête impair

Son intérêt pour ces cardiolipines découle de ses travaux sur une cellule minimale synthétique. "Notre groupe à l'Université de Groningen se concentre sur la croissance des membranes cellulaires, basé sur la production enzymatique de nouveaux phospholipides à partir de blocs de construction de base. » Étant donné que les cardiolipines sont présentes dans les membranes cellulaires des organismes de tous les domaines de la vie, ce sont des composants souhaités de la cellule synthétique. Exterkate voulait savoir quelles enzymes sont responsables de la production de cardiolipine chez les archées. "Les lipides qui forment la membrane cellulaire des archées sont structurellement différents de ceux des deux autres domaines de la vie, " Exterkate explique. " De plus, tandis que les autres domaines ont un type dominant de cardiolipine, archaea semblent produire différents types de cardiolipines, avec des groupes de tête qui contiennent, par exemple, une seule charge négative ou différents types de sucres ou de groupes sulfate. Actuellement, nous ne savons presque rien sur la façon dont ils sont synthétisés."

En recherchant les génomes des espèces d'archées, Exterkate a trouvé plusieurs gènes candidats pour la cardiolipine synthase. Le plus prometteur des archées Methanospirillum hungatei a été exprimé dans une souche de laboratoire standard du E. coli bactérie, et l'enzyme résultante a été isolée et caractérisée. "Lorsque nous avons mélangé l'enzyme avec des blocs de construction potentiels, il a produit l'espèce de cardiolipine attendue. Mais ensuite, nous avons remarqué quelque chose de vraiment surprenant :une autre cardiolipine avec un groupe de tête très étrange. » Cela s'est avéré être une molécule de la solution tampon dans laquelle la réaction a eu lieu.

Sonneries d'alarme

"Toutes les sonnettes d'alarme ont commencé à sonner, " rappelle Exterkate. " Si l'enzyme peut incorporer cette molécule tampon en tant que groupe de tête lipidique, que pourrait-il faire d'autre?" Il s'est avéré que, l'enzyme était capable de produire toutes sortes de variantes de cardiolipines et d'autres phospholipides, contenant à la fois des groupes de tête naturels et non naturels. "Certaines enzymes sont de promiscuité; elles peuvent utiliser des variantes légèrement différentes de leurs substrats normaux. Mais cette enzyme est de promiscuité à l'extrême." Il peut produire des lipides qui, dans les cellules bactériennes, par exemple, nécessitent de nombreuses enzymes différentes.

Il s'agit de la première enzyme identifiée capable de produire toute une gamme de cardiolipines différentes. Exterkate :" D'autres archées ont des gènes similaires, qui sont probablement aussi aptes à produire différentes cardiolipines, indiquant que la variété des cardiolipines archéennes pourrait être synthétisée par la même enzyme. » En plus d'être une découverte surprenante, la nouvelle enzyme pourrait être intéressante pour la production de membranes auto-conçues. Ceci est utile car les groupes de tête dans les phospholipides membranaires affectent les propriétés globales de la membrane et la fonction des enzymes qui y sont incorporées. "L'industrie de la biotechnologie pourrait peut-être utiliser cette enzyme pour fabriquer artificiellement des membranes à des fins spécifiques, " dit Exterkate.

Osmorégulation

La découverte de cette enzyme de promiscuité soulève également la question de savoir pourquoi les cellules archéennes ont besoin de toutes ces différentes cardiolipines. Jusque là, les manuels font référence aux cardiolipines comme à une molécule particulière. Cela devient clair, bien que, que les cardiolipines forment une classe de molécules. Exterkate et ses collègues soupçonnent que l'enzyme est impliquée dans l'osmorégulation. « En fonction de l'environnement, l'enzyme peut basculer la production vers différents phospholipides et, ce faisant, altérer la fonctionnalité de la membrane."

L'enzyme pourrait également s'avérer être un bonus pour la cellule synthétique sur laquelle travaillent Exterkate et ses collègues. "Nous avions prévu de produire une membrane avec une composition minimaliste en phospholipides, nous n'aurions donc pas besoin d'ajouter beaucoup de gènes pour différentes enzymes. Maintenant, nous pouvons potentiellement produire de nombreux phospholipides différents en utilisant une seule enzyme."