Les membranes forment des limites dans presque tous les types de cellules. Non seulement une cellule possède une membrane externe qui contient et protège l’intérieur, mais il existe souvent d’autres membranes à l’intérieur, formant des parties d’organites telles que les mitochondries et l’appareil de Golgi. Comprendre les membranes est important pour la science médicale, notamment parce que les protéines logées dans la membrane cellulaire sont des cibles fréquentes pour les médicaments. Certaines protéines membranaires sont comme des portes qui régulent ce qui entre et sort de la cellule.
La région proche de ces membranes peut être un endroit très fréquenté. Des milliers de types de molécules différentes se pressent les unes sur les autres ainsi que sur la membrane cellulaire – et comme le savent tous ceux qui ont essayé de se frayer un chemin à travers la foule, cela peut être difficile. Les molécules plus petites telles que les sels se déplacent relativement facilement car elles peuvent s'insérer dans des endroits plus restreints, mais les molécules plus grosses, telles que les protéines, sont limitées dans leurs mouvements.
Ce type d'encombrement moléculaire est devenu un sujet de recherche scientifique très actif, a déclaré Hoogerheide, car il joue un rôle réel dans le fonctionnement de la cellule. Le comportement d’une cellule dépend de l’interaction délicate des ingrédients de cette « soupe » cellulaire. Il semble maintenant que la membrane cellulaire puisse également avoir un effet, en triant les molécules proches d'elle selon leur taille et leur charge.
"Comment le surpeuplement affecte-t-il la cellule et son comportement ?" il a dit. "Comment, par exemple, les molécules de cette soupe sont-elles triées à l'intérieur de la cellule, rendant certaines d'entre elles disponibles pour des fonctions biologiques, mais pas d'autres ? L'effet de la membrane pourrait faire la différence."
Alors que les chercheurs utilisent couramment des champs électriques pour déplacer et séparer les molécules – une technique appelée diélectrophorèse – les scientifiques n’ont prêté que peu d’attention à cet effet à l’échelle nanométrique, car il faut des champs extrêmement puissants pour déplacer les nanoparticules. Mais des champs puissants sont exactement ce qu'une membrane chargée électriquement génère.
"Le champ électrique juste à côté d'une membrane dans une solution salée comme celle produite par notre corps peut être incroyablement puissant", a déclaré Hoogerheide. "Sa force diminue rapidement avec la distance, créant de grands gradients de champ qui, selon nous, pourraient repousser les particules proches. Nous avons donc utilisé des faisceaux de neutrons pour l'examiner."
Les neutrons peuvent distinguer différents isotopes de l'hydrogène, et l'équipe a conçu des expériences explorant l'effet d'une membrane sur les molécules voisines de PEG, un polymère qui forme des particules nanométriques sans charge. L'hydrogène est un constituant majeur du PEG, et en immergeant la membrane et le PEG dans une solution d'eau lourde, composée de deutérium à la place des atomes d'hydrogène de l'eau ordinaire, l'équipe a pu mesurer à quel point les particules de PEG se sont rapprochées de la membrane. Ils ont utilisé une technique connue sous le nom de réflectométrie neutronique au NCNR ainsi que des instruments du laboratoire national d'Oak Ridge.
Associées à des simulations de dynamique moléculaire, les expériences ont révélé la toute première preuve que les puissants gradients de champ des membranes étaient à l'origine de la répulsion :les molécules de PEG étaient plus fortement repoussées par les surfaces chargées que par les surfaces neutres.
Bien que les résultats ne révèlent aucune physique fondamentalement nouvelle, a déclaré Hoogerheide, ils montrent une physique bien connue dans un endroit inattendu, ce qui devrait encourager les scientifiques à en prendre note et à l'explorer davantage.
"Nous devons ajouter cela à notre compréhension de la manière dont les choses interagissent à l'échelle nanométrique", a-t-il déclaré. "Nous avons démontré la force et l'importance de cette interaction. Nous devons maintenant étudier comment elle affecte ces environnements surpeuplés où se produisent tant de biologie."
Plus d'informations : Marcel Aguilella-Arzo et al, Les membranes biologiques chargées repoussent les grandes molécules neutres par diélectrophorèse de surface et pression de contre-ions, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI :10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348
Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
