Tout en travaillant à l'amélioration d'un outil qui mesure les poussées et les tractions détectées par les protéines dans les cellules vivantes, les biophysiciens de Johns Hopkins disent avoir découvert l'une des raisons pour lesquelles la soie des araignées est si élastique :des morceaux de fils de protéines de soie agissent comme des superressorts, s'étirant jusqu'à cinq fois leur longueur initiale. Les enquêteurs disent que l'outil fera la lumière sur de nombreux événements biologiques, y compris les forces de déplacement entre les cellules au cours des métastases cancéreuses.
« Toutes les autres sources connues, biologique et non biologique, allonger d'une manière qui est directement proportionnelle à la force qui leur est appliquée seulement jusqu'à ce qu'ils aient été étirés à environ 20 pour cent de leur longueur d'origine, " note Taekjip Ha, Doctorat., le chercheur principal de l'étude. "À ce moment, vous devez appliquer de plus en plus de force pour les étirer de la même distance qu'avant. Mais le morceau de protéine de soie d'araignée sur lequel nous nous sommes concentrés continue de s'étirer en proportion directe de la force appliquée jusqu'à ce qu'il atteigne son étirement maximal de 500 pour cent. »
Les détails de la recherche ont été publiés en ligne dans la revue Lettres nano le 5 février.
Ha, un Bloomberg Distinguished Professor de biophysique et de chimie biophysique à la Johns Hopkins University School of Medicine, dit que la nouvelle découverte est survenue lors du suivi des recherches que lui et son équipe, puis à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, décrit dans le journal La nature en 2010, travaux réalisés en collaboration avec des biologistes cellulaires dirigés par Martin Schwartz, puis à l'Université de Virginie.
L'équipe de Virginie a mis en place ces expériences en insérant une séquence d'acides aminés répétée, extraite de la protéine de soie d'araignée connue sous le nom de flagelliforme, dans une protéine humaine appelée vinculine. La vinculine est responsable de l'internalisation des forces à l'extérieur d'une cellule en pontant la membrane cellulaire et le réseau d'actine à l'intérieur de la cellule, ce qui en fait un important communicateur mécanique au sein de la cellule.
Les scientifiques ont également flanqué l'insert flagelliforme dans la vinculine avec deux protéines fluorescentes pour s'allumer et « signaler » ce qui se passait grâce au transfert d'énergie par résonance de fluorescence, ou FRET. Le FRET se produit lorsqu'une molécule fluorescente est suffisamment proche d'une autre pour activer la seconde. Donc, lorsque la vinculine a été relâchée dans une cellule, il "brillait" en jaune, la couleur de la seconde protéine fluorescente étant activée par la première. Comme la vinculine s'étirait, elle a commencé à briller en bleu - la couleur de la première protéine fluorescente - car l'allongement de la distance entre les deux rendait impossible l'activation FRET de la protéine jaune.
En utilisant la microscopie à fluorescence régulière, les scientifiques ont pu observer en temps réel les forces agissant sur la vinculine dans des cellules vivantes. Mais un problème restait :comment traduire les couleurs changeantes en mesures de force "détectées" par la vinculine.
C'est là que son équipe est intervenue, dit Ha. Les chercheurs ont attaché une extrémité de vinculine modifiée à une plaque de verre et l'autre à une attache faite d'ADN avec une petite perle en plastique à l'extrémité. Ils ont ensuite tiré sur la perle avec ce que Ha décrit comme "des baguettes faites de lumière, " concentrant un faisceau de lumière sur un petit point à proximité et générant une force d'attraction qui tirait la perle vers la source lumineuse. De cette façon, Ha dit, ses enquêteurs pourraient lier la quantité de FRET à la quantité de force sur la vinculine, leur permettant de mesurer les forces dynamiques agissant sur les protéines dans les cellules vivantes simplement en les imageant.
Dans cette étude précédente, l'équipe a inséré 40 acides aminés flagelliformes dans la vinculine, composé de huit répétitions de la séquence d'acides aminés GPGGA. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont voulu en savoir plus sur l'outil flagelliforme en faisant varier sa longueur, ils ont donc créé des inserts de cinq et 10 répétitions à tester aux côtés de l'insert d'origine de huit. Ce qu'ils ont découvert, c'est que l'insert le plus court était le plus réactif à la plus large gamme de forces, répondre avec des augmentations linéaires de longueur à des forces de 1 à 10 piconewtons. (Ha dit que 1 piconewton est approximativement le poids d'une bactérie.)
L'équipe ne s'attendait pas à ce que les inserts en soie d'araignée présentent un comportement aussi linéaire car, d'après Ha, ils ne forment pas bien définis, structures tridimensionnelles. "D'habitude, les protéines non structurées montrent désordonné, comportement non linéaire lorsque nous tirons dessus, " dit Ha. "Le fait qu'ils n'agissent pas de cette façon signifie qu'ils seront des outils vraiment utiles pour étudier la mécanique des protéines, car leur comportement est facile à comprendre et à prédire."
Déjà, Ha dit, l'insert flagelliforme de huit répétitions de la recherche précédente a été utilisé pour étudier de nombreux phénomènes biologiques, y compris les forces de déplacement entre les cellules pendant la métastase cancéreuse et la poussée et la traction des cellules pendant le développement de simples, organismes multicellulaires, comme des vers.
"La tension est importante pour de nombreuses activités à l'intérieur des cellules, " dit Ha. "Les cellules détectent les forces mécaniques dans leur environnement et modifient leurs comportements et leurs fonctions en réponse. Maintenant, nous avons un moyen d'observer et de comprendre ces forces et comment elles sont transmises au niveau moléculaire dans les cellules vivantes."
