Qu'il s'agisse de nuages ​​ou de bulles de champagne qui se forment, ou l'apparition précoce de la maladie d'Alzheimer ou du diabète de type 2, un mécanisme commun est à l'œuvre :les processus de nucléation.

Les processus de nucléation sont une première étape dans le réarrangement structurel impliqué dans la transition de phase de la matière :un liquide se transformant en gaz, un gaz devenant liquide et ainsi de suite. Des nuages, eau bouillante, bulles, et certains stades de la maladie sont tous caractérisés par la formation d'une nouvelle phase thermodynamique qui nécessite la formation de certaines des plus petites unités de la nouvelle structure avant que cette nouvelle phase puisse se développer. Comprendre ce processus est essentiel pour prévenir, arrêter ou traiter les cas de processus de nucléation qui ont mal tourné, comme dans les maladies humaines. Maintenant, une équipe de chercheurs de l'University College London et de l'Université de Cambridge en Grande-Bretagne en collaboration avec l'Université Harvard ont progressé dans la compréhension de ce problème d'un point de vue moléculaire dans une nouvelle étude. Leur découverte est significative à travers un éventail de phénomènes, de la maladie humaine à la nanotechnologie.

"Peut-être qu'un exemple intuitif de nucléation serait la façon dont un dîner tranquille se transforme soudainement en un dîner dansant ; une telle transition nécessite généralement que plusieurs personnes commencent à danser à la fois, agissant comme un "noyau" autour duquel se rassemble la soirée dansante, " a expliqué Anđela Šarić, coauteur principal à l'University College London et à l'Université de Cambridge. Les résultats de cette étude paraîtront cette semaine dans The Journal de physique chimique .

« Comme on l'observe couramment, si ce groupe de danseurs est trop petit, il a tendance à être ignoré; cependant, au-dessus d'une certaine taille, ce noyau dansant attire de plus en plus de monde, dominant finalement la pièce, " ajoute Thomas Michaels, l'autre coauteur principal. Ce nombre minimum de danseurs requis pour transformer la fête est ce que l'on appelle communément en termes thermodynamiques le « noyau critique ».

Dans leurs recherches, l'équipe considère un exemple particulièrement intrigant d'un processus nucléé :la formation de filaments protéiques. De nombreuses structures filamenteuses de protéines telles que l'actine et la tubuline sont essentielles à la croissance, formation structurelle, mouvement et division des cellules. Ils sont une caractéristique essentielle des systèmes vivants. Cependant, les filaments de protéines peuvent également être à l'origine de maladies :plus de 50 troubles courants, dont la maladie d'Alzheimer, La maladie de Parkinson, et diabète de type 2, sont associés à la formation et au dépôt dans le cerveau ou d'autres organes de filaments de protéines communément appelés amyloïdes.

En utilisant une combinaison de théorie et de simulations informatiques, les auteurs ont exploré la nucléation des filaments de protéines. Leur objectif était d'établir les principes physiques fondamentaux qui le sous-tendent. Leurs résultats ont montré qu'un processus apparemment compliqué de nucléation des fibrilles est en réalité régi par un mécanisme physique relativement simple :des amas non organisés de protéines, appelés oligomères, se forment initialement.

Ces structures ne ressemblent pas encore à des filaments de protéines, mais doivent subir une conversion structurelle avant de pouvoir se développer en filaments matures, arić a expliqué. Ils ont découvert que parmi les nombreuses étapes différentes de la nucléation des fibrilles, le changement de forme à l'intérieur des oligomères est l'étape déterminante. Par conséquent, les changements conformationnels de la protéine à l'intérieur des oligomères (conduisant à la formation de configurations de feuillets ) sont cruciaux pour comprendre la nucléation des fibrilles. Précédemment, la taille du noyau critique était considérée comme le facteur déterminant la vitesse.

L'étude représente un pas en avant important dans la compréhension mécanistique de la façon dont les filaments de protéines se forment. Une telle compréhension est essentielle pour étudier les premiers stades de l'apparition des maladies associées à l'agrégation des protéines, car les oligomères sont de plus en plus considérés comme la principale cause de toxicité cellulaire.

« Comprendre quelles étapes au niveau microscopique sont déterminantes pour la formation de fibrilles protéiques peut fournir des informations précieuses pour la conception de thérapies rationnelles visant à supprimer la génération d'oligomères pathogènes, " arić a expliqué

De plus, en raison de leurs propriétés physico-chimiques uniques, les filaments de protéines trouvent de nombreuses applications dans la science des matériaux en tant que biomatériaux pour la nanotechnologie, " a déclaré Michaels. " Un meilleur contrôle de la croissance filamenteuse profiterait à la production de nouveaux matériaux fonctionnels qui ont des applications étendues dans la science des matériaux en tant que biomatériaux pour la nanotechnologie. "