Un groupe de chercheurs de trois unités de recherche différentes de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) s'est réuni pour répondre à des questions fondamentales sur la chimiotaxie en créant des gouttelettes synthétiques pour imiter les phénomènes en laboratoire, leur permettant d'isoler, de contrôler et d'étudier avec précision le phénomènes.

Leurs résultats, qui aident à répondre aux questions sur les principes du mouvement dans les systèmes biologiques simples, ont été publiés dans le Journal of The American Chemical Society. .

"Nous avons montré qu'il est possible de faire migrer des gouttelettes de protéines grâce à de simples interactions chimiques", explique Alessandro Bevilacqua, Ph.D. étudiant à l’unité d’ingénierie et d’évolution des protéines et co-premier auteur de l’article. Professeur Paola Laurino, responsable de l'unité et auteur principal. Laurino ajoute qu'ils "ont créé un système simple qui imite un phénomène très complexe et qui peut être modulé par l'activité enzymatique".

Tension en surface

Même si le processus de création de gouttelettes ne semble pas être la tâche la plus compliquée, imiter les processus biologiques aussi près que possible de la réalité tout en gardant un contrôle précis sur toutes les variables l’est certainement. Les gouttelettes synthétiques sans membrane contiennent une très forte concentration de protéine bovine BSA pour imiter les conditions de surpeuplement à l'intérieur des cellules, ainsi que de l'uréase, une enzyme qui catalyse la dégradation de l'urée en ammoniac.

L'ammoniac est basique, ce qui signifie qu'il a un pH élevé. Au fur et à mesure que l'enzyme catalyse progressivement la production d'ammoniac, elle se diffuse dans la solution, créant un « halo » de pH plus élevé autour de la gouttelette, ce qui permet aux gouttelettes de détecter d'autres gouttelettes et de migrer les unes vers les autres.

Les chercheurs ont découvert que la clé pour comprendre la chimiotaxie des gouttelettes est le gradient de pH, car il facilite l'effet Marangoni, qui décrit la façon dont les molécules circulent des zones de tension superficielle élevée vers les zones faibles.

La tension superficielle est la mesure de l'énergie nécessaire pour maintenir les molécules ensemble à la surface, comme la colle. Lorsque le pH augmente, cette colle s’affaiblit, provoquant la propagation des molécules et réduisant la tension superficielle, ce qui facilite le déplacement des molécules. Vous pouvez le constater en ajoutant du savon, qui a un pH élevé, à une extrémité d'une baignoire d'eau plate :l'eau coulera vers l'extrémité avec du savon à cause de l'effet Marangoni.

Lorsque deux gouttelettes synthétiques sont suffisamment proches, leurs halos interagissent, augmentant le pH de l’environnement qui les sépare, ce qui les fait se déplacer ensemble. Parce que la tension superficielle est toujours forte aux extrémités opposées des gouttelettes, elles conservent leur forme jusqu'à ce que les surfaces se touchent, et les forces de cohésion à l'intérieur des gouttelettes surmontent la tension superficielle, les faisant fusionner. Comme les gouttelettes plus grosses produisent à la fois plus d'ammoniac et ont une plus grande surface (ce qui diminue la tension superficielle), elles attirent des gouttelettes plus petites qu'elles.

Collaborer sur la soupe ancienne et la biotechnologie du futur

Grâce au développement de ces gouttelettes, les chercheurs ont réussi à répondre à des questions fondamentales sur le mouvement biologique et, ce faisant, ils ont acquis une meilleure compréhension du mouvement dirigé des premières formes de vie dans la soupe primordiale il y a des milliards d'années, comme ainsi qu'une piste dans la création de nouveaux matériaux d'inspiration biologique.

Notre connaissance de la vie telle qu’elle était il y a des milliards d’années est pour le moins floue. Une hypothèse importante est que la vie est originaire des océans, alors que les molécules organiques se sont progressivement assemblées et sont devenues plus sophistiquées dans une « soupe primordiale » – et cela aurait pu être facilité par la chimiotaxie grâce à l'effet Marangoni.

"Il aurait été bénéfique que les gouttelettes aient ce mécanisme de migration dans le scénario hypothétique de l'origine de la vie", comme le dit le professeur Laurino. Cette migration aurait pu déclencher la formation de voies métaboliques primitives par lesquelles les enzymes catalysent une variété de substances qui produisent finalement un gradient chimique qui rassemble les gouttelettes, conduisant à des communautés plus grandes et plus sophistiquées.

La recherche avance également dans le temps, fournissant des pistes sur les nouvelles technologies. "Un exemple est la création de matériaux réactifs inspirés de la biologie", suggère Alessandro Bevilacqua. "Nous avons montré comment de simples gouttelettes peuvent migrer grâce à un gradient chimique. Une application future de cela pourrait être des technologies qui détectent ou réagissent aux gradients chimiques, par exemple dans la micro-robotique ou dans l'administration de médicaments."

Le projet a débuté pendant la pandémie de coronavirus, lorsqu’un membre de l’unité Ingénierie et évolution des protéines était en quarantaine avec un membre de l’unité Fluides et flux complexes. Les deux hommes ont commencé à discuter et, bien que les deux unités appartiennent à deux domaines disparates – respectivement la biochimie et la mécanique – le projet a évolué en tandem. Finalement, des membres de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique ont rejoint le projet avec des mesures sophistiquées de la tension superficielle des gouttelettes.

L’environnement de recherche non disciplinaire unique de l’OIST a catalysé la collaboration. Comme le dit le professeur Laurino :« Ce projet n'aurait jamais pu exister si nous étions séparés par les départements. Cela n'a pas été une collaboration facile, car nous communiquons sur notre domaine de manières très différentes, mais le fait d'être physiquement proche a rendu les choses beaucoup plus faciles. » /P>

Alessandro Bevilacqua ajoute :« Le facteur café a été très important. Pouvoir s'asseoir avec d'autres membres de l'unité a rendu le processus beaucoup plus rapide et plus productif. Leur coopération ne s'arrête pas là ; ce document est plutôt le début d'un partenariat fructueux entre les trois unités.

"Nous constatons beaucoup de synergie dans notre travail et nous travaillons ensemble de manière efficace et efficiente. Je ne vois pas de raison pour laquelle nous devrions arrêter", déclare le professeur Laurino. C'est grâce aux efforts combinés des trois unités que nous en savons désormais davantage sur les moindres mouvements de la vie à l'échelle la plus petite, la plus précoce et peut-être la future.