La maladie d'Alzheimer résulte d'un empilement dysfonctionnel de molécules de protéines qui forment de longues fibres à l'intérieur des cellules du cerveau. Un empilement similaire se produit dans l'anémie falciforme et la maladie de la vache folle.

Les scientifiques savent que ces fibres ordonnées se développent à partir d'une grande variété de molécules, mais pourrait-il y avoir une raison commune qu'ils forment?

Dans de nouvelles recherches, des physiciens de l'Université de Chicago et de l'Université Paris-Saclay suggèrent que de telles fibres protéiques sont une manifestation d'un principe physique général. Et ce principe offre la possibilité de nouveaux médicaments et outils pour l'ingénierie des structures protéiques souhaitables. Les résultats ont été publiés plus tôt ce mois-ci dans Physique de la nature .

"Nous avons des preuves solides qu'il existe un principe qui façonne la façon dont les choses s'agrègent et qui peut être utilisé à la fois pour comprendre la maladie et la modifier et pour faire en sorte que les choses s'auto-assemblent d'une manière que nous dictons, " a déclaré le co-auteur Thomas Witten, le professeur émérite Homer J. Livingston de physique à UChicago.

Les protéines s'agrègent tout le temps. Mais la plupart du temps, ils font des taches amorphes similaires à celles de la soupe aux œufs. "Nous essayons de découvrir ce qui fait que certaines molécules s'assemblent pour former une fibre au lieu d'un glop, " a déclaré Witten.

Les protéines qui forment les fibres sont identiques mais irrégulières; ils ne s'emboîtent pas proprement. Witten et son collaborateur Martin Lenz, chercheur à l'Université Paris-Saclay, s'est demandé si cette irrégularité pouvait être la clé de la formation de fibres. À l'aide d'ordinateurs, Lenz, auteur principal de l'étude, a conçu un modèle mathématique pour simuler comment des objets identiques mais mal ajustés s'agglutineraient. Il a utilisé des pentagones et d'autres polygones simples pour représenter l'irrégulier, protéines formant des fibres.

"Nous n'avions pas de laboratoire ni de tubes à essai. Nous avions juste ces petites formes, " a déclaré Witten.

Les chercheurs ont fait dépendre l'interaction des polygones de seulement deux attributs sans incorporer d'autres caractéristiques de molécules réelles. Comme dans une vraie fibre, toutes les sous-unités sont identiques et irrégulières. Ils sont aussi ce que Witten appelle "collants" - ils s'attirent mais ils ne ressentent pas l'attirance jusqu'à ce qu'ils se touchent. Ils "veulent" toucher, et ils gagnent de l'énergie s'ils le font. Mais parce que les formes ne s'emboîtent pas parfaitement, "leurs surfaces ne peuvent pas toucher et sentir l'adhérence et obtenir cette énergie à moins qu'elles ne se déforment, " a déclaré Witten.

Leur propension est à s'allonger le plus possible pour maximiser la quantité de leur surface en contact. "Mais la distorsion leur coûte de l'énergie, " Witten a déclaré. "Ils doivent exercer des forces pour que les surfaces se rencontrent. Il y a donc une compétition entre l'énergie gagnée par le collage et le coût énergétique de la distorsion."

Les simulations faites par Lenz incarnaient cette compétition. Les formes pourraient s'attacher le long de n'importe quelle surface. Les scientifiques ont fait varier le degré d'adhérence par rapport au coût énergétique de la distorsion pour chaque forme et ont examiné les différentes structures qui se sont formées dans la plage de valeurs. Les résultats étaient frappants :quelle que soit la forme qu'ils utilisaient, lorsque le collage et le coût énergétique de la distorsion étaient plus ou moins égaux, ils ont des fibres à chaque fois.

Une caractéristique supplémentaire était nécessaire pour former les fibres. La croissance devait être irréversible, chaque surface collante devant rester collée. Sans cette caractéristique irréversible, souvent vu dans de vraies molécules, les longues fibres finiraient par se fondre en taches arrondies.

La recherche diffère de l'approche adoptée par les scientifiques qui étudient les maladies causées par les fibres protéiques. "Ils ont beaucoup travaillé sur les particularités des molécules impliquées, et il y a des idées bien ancrées sur la façon dont ces détails provoquent la formation des fibres, " a déclaré Lenz.

"Nous disons, « Vous n'avez pas besoin d'une molécule spécifique :c'est un principe général. Ils sont sceptiques à ce sujet, mais malgré leur scepticisme, ils reconnaissent que notre idée mérite une audition, " a déclaré Witten.

Jusque là, Lenz et Witten n'ont essayé qu'un petit nombre de formes en deux dimensions. Ils prévoient d'essayer de voir si le principe est vrai pour des formes arbitraires, en trois dimensions, et résumer l'essence de ce qui se passe dans les simulations.

"Nous voulons avoir une théorie qui prédit des choses que nous pouvons ensuite vérifier sur l'ordinateur, une théorie qui n'utilise pas les caractéristiques spécifiques d'une forme de particule particulière mais utilise juste le caractère collant et la distorsion, " dit Witten. " Nous pouvons peut-être empêcher la vache folle et les fibres drépanocytaires, si nous comprenons ce principe. Et nous devrions pouvoir utiliser le principe pour fabriquer des fibres lorsqu'elles sont bénéfiques. Il suffit de mettre la bonne adhérence, mettre la bonne distorsion, ajustez tout et obtenez les fibres que nous voulons."