À l'aide d'un microscope à force atomique à balayage ultra-rapide, une équipe de chercheurs de l'Université de Bâle a filmé pour la première fois des complexes de pores nucléaires "vivants" à l'œuvre. Les pores nucléaires sont des machines moléculaires qui contrôlent le trafic entrant ou sortant du noyau cellulaire. Dans leur article publié dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs expliquent comment le passage de molécules indésirables est empêché en déplaçant rapidement des « tentacules » moléculaires à l'intérieur du pore.

Le microscope à force atomique (AFM) n'est pas un microscope à regarder. Comme un aveugle utilise ses doigts, il "sent" une surface avec une pointe extrêmement fine pour résoudre de minuscules structures cellulaires de seulement des millionièmes de millimètre de taille, comme les pores de l'enveloppe nucléaire. Cependant, ce processus est normalement lent et peut prendre jusqu'à une minute pour capturer une image. En comparaison, les AFM modernes à grande vitesse sont capables d'enregistrer des films de molécules en action en capturant plusieurs centaines d'images par minute.

En utilisant l'AFM à grande vitesse, Roderick Lim, Argovia Professeur au Biozentrum et au Swiss Nanoscience Institute de l'Université de Bâle, a non seulement visualisé directement la barrière sélective du pore nucléaire, mais aussi son comportement dynamique pour résoudre un mystère de longue date sur la façon dont les molécules indésirables sont empêchées d'entrer dans le noyau.

Les complexes de pores nucléaires régulent le transport des molécules

La structure globale des pores nucléaires est généralement connue. Ce ne sont pas de simples trous, mais sont des centres de transport massifs qui s'intègrent par milliers dans la membrane nucléaire. Ils ont une structure en forme de beignet constituée d'une trentaine de protéines différentes, appelées nucléoporines, et un canal de transport central. Dans le pore, plusieurs protéines désordonnées (FG Nups) forment une barrière ou un filtre de sélectivité. Alors que les petites molécules peuvent facilement franchir cette barrière, les grosses molécules telles que les protéines sont empêchées d'entrer dans le pore nucléaire. Une exception à cela sont les protéines nécessaires dans le noyau cellulaire, par exemple, pour la réparation ou la réplication du matériel génétique. Leur translocation du cytoplasme vers le noyau est assistée par des récepteurs de transport qui reconnaissent une "étiquette d'adresse" spécifique portée par ces protéines.

L'AFM à grande vitesse révèle des processus dynamiques

"Avec l'AFM à grande vitesse, nous avons pu pour la première fois, regarder à l'intérieur des complexes de pores nucléaires natifs, seulement quarante nanomètres de taille", dit Lim. "Cette méthode change vraiment la donne. Nous pouvions voir les FG Nups individuellement et les filmer en action. Ce n'était pas possible jusqu'à présent!"

En outre, Yusuke Sakiyama, le doctorant qui a réalisé les expériences, a dû faire pousser des nanofibres de carbone ultra-tranchantes sur chaque sonde à grande vitesse afin d'atteindre l'intérieur du NPC. Cela génère ensuite une séquence vidéo à partir de plusieurs images qui permet au chercheur d'observer la dynamique « vrai à la vie » des processus biologiques au niveau du nanomètre.

Une barrière de « tentacules » moléculaires ondulants

En raison de la haute résolution spatiale et temporelle, les scientifiques ont pu montrer que les filaments FG Nup sont très flexibles. « Ce ne sont pas des poils raides, bien au contraire. Comme les tentacules les plus fins, les FG Nups fluctuent rapidement, allonger et se rétracter, et parfois même brièvement s'entremêlent dans le pore", dit Lim. La vitesse de leur mouvement détermine quelles molécules peuvent traverser le pore. "Les grosses particules se déplacent beaucoup plus lentement que les FG Nups et sont donc empêchées d'entrer dans le NPC par des collisions répétées", explique Lim. "De petites molécules, cependant, subissent une diffusion rapide et ont une forte probabilité de franchir la barrière FG Nup."

En comprenant comment les PNJ fonctionnent comme des centres de transport dans les cellules vivantes, Lim, membre du NCCR Molecular Systems Engineering, étudie actuellement comment les filtres sélectifs inspirés des NPC pourraient réguler le trafic moléculaire dans les systèmes non biologiques.