Instantanés d'une simulation de dynamique moléculaire d'une seule particule de toxine shigella se liant à ses partenaires lipidiques dans la membrane vésiculaire (vues de côté et de dessus). Crédit :Julian Shillcock/EPFL
Les bactéries qui causent la maladie intestinale à shigella utilisent une toxine qui exploite une force physique dans la membrane des cellules. Bien que difficile à bloquer, il est possible de lutter avec des nanoparticules exploitant la même force.
Un nombre énorme de maladies sont le résultat d'infections bactériennes et virales. Ces agents pathogènes pénètrent dans les cellules du corps par plusieurs voies. Une nouvelle étude menée conjointement par l'EPFL rapporte désormais la découverte d'une voie d'infection jusqu'alors inconnue utilisée par la bactérie responsable de la shigellose, une maladie infectieuse intestinale caractérisée par une diarrhée sanglante. Dans le mécanisme nouvellement découvert, la bactérie Shigella exploite une force générique créée par les fluctuations de la propre membrane plasmique de la cellule. L'ouvrage est publié dans ACS Nano .
L'étude a été réalisée par John Ipsen à l'Université du Danemark du Sud, Ludger Johannes à l'Institut Curie en France et Julian Shillcock à l'EPFL.
Normalement, les cellules régulent très étroitement l'entrée de corps étrangers, pour empêcher les invasions d'agents pathogènes tels que les bactéries et les virus. Par conséquent, les envahisseurs ont développé divers mécanismes pour surmonter les barrières et pénétrer dans les cellules.
Par exemple, une voie consiste à détourner la propre machinerie de la cellule et à l'amener à internaliser le virus ou la bactérie à l'intérieur d'une vésicule que la cellule elle-même fabrique. Ce processus, qui est l'un des moyens habituels pour les cellules d'absorber de grosses molécules, est appelé "endocytose".
Les scientifiques ont utilisé divers systèmes de vésicules et simulations informatiques pour étudier un mécanisme d'invasion bactérienne qui semble avoir des propriétés uniques. Le mécanisme est utilisé, entre autres, par les bactéries qui causent la shigelle et qui produisent un petit protéine rigide appelée toxine de Shiga.
Illustration d'une simulation de dynamique de particules dissipative montrant deux toxines étroitement liées liées par la force de type Casimir. Crédit :Julian Shillcock/EPFL
L'étude a révélé que les particules de toxine Shiga se lient étroitement à certains lipides, ou des graisses, sur la surface membranaire de la cellule à envahir. Ils commencent alors à former des amas sur la membrane, qui font que la membrane se courbe vers l'intérieur, créer des invaginations en forme de tube, par lequel les particules de toxine pénètrent dans la cellule. Une fois à l'intérieur, les toxines de Shiga modifient le mécanisme génétique de la cellule, et l'infection a commencé.
Mais la découverte majeure a été que la toxine exploite en fait un générique, force physique dans la membrane cellulaire pour produire les invaginations. C'est ce qu'on appelle la "force de Casimir" et a d'abord été décrite comme une force théorique agissant entre deux charges, parallèle, surfaces conductrices.
Sur le plan de la biologie, on pense que la force de Casimir agit entre les protéines liées à la membrane dans les cellules, existant sur toutes les membranes cellulaires biologiques fluides et apparaissant uniquement lorsque l'agent pathogène se lie étroitement à la surface de la membrane.
Les chercheurs proposent que la bactérie Shigella, et d'autres agents pathogènes, ont évolué pour tirer parti de la force Casimir provenant de la membrane plasmique fluctuante pour infecter les cellules. En outre, parce que les graisses auxquelles la toxine se lie sont utilisées par la cellule pour ses propres opérations, la toxine de Shiga ne peut pas être bloquée sans désactiver ou modifier les fonctions normales de la cellule.
Nanoparticules pour l'administration de médicaments
Mais comme on pense que la force de Casimir apparaît pour toutes les nanoparticules étroitement liées à la surface de la membrane cellulaire, il y a la possibilité de produire un roman, voie à base de nanoparticules pour l'administration de médicaments. D'abord, nous devrions lier étroitement les nanoparticules à la surface de la cellule où elles se regrouperont. Seconde, les nanoparticules doivent également augmenter légèrement la courbure de la membrane cellulaire pour exploiter la force de Casimir et pénétrer dans la cellule. Une fois à l'intérieur, ils peuvent commencer à faire des bénéfices, changements défensifs dans le comportement de la cellule.
"Là où la nature a conduit à concevoir un moyen pour les agents pathogènes d'infecter les cellules, les nanoparticules manufacturées peuvent suivre pour traiter les dysfonctionnements cellulaires, " dit Julian Shillcock.
