Un groupe de recherche dirigé par le professeur émérite Michio Homma (lui, lui) et le professeur Seiji Kojima (il, lui) de la Graduate School of Science de l'Université de Nagoya, en collaboration avec l'Université d'Osaka et l'Institut de biosciences et de technologie de Nagahama, a réalisé de nouvelles connaissances sur la façon dont la locomotion se produit chez les bactéries.

Le groupe a identifié la molécule FliG dans la couche flagellaire, le « moteur » des bactéries, et a révélé son rôle dans l'organisme. Ces résultats suggèrent des moyens par lesquels les futurs ingénieurs pourraient construire des nanomachines avec un contrôle total sur leurs mouvements. Ils ont publié l'étude dans iScience .

À mesure que les nanomachines deviennent plus petites, les chercheurs s’inspirent des organismes microscopiques pour trouver des moyens de les faire bouger et fonctionner. En particulier, le moteur flagellaire peut tourner dans le sens horaire et antihoraire à une vitesse de 20 000 tr/min. S'il était agrandi, il serait comparable à un moteur de Formule 1 avec un rendement de conversion énergétique de près de 100 % et la capacité de changer instantanément son sens de rotation à des vitesses élevées. Si les ingénieurs parvenaient à développer un dispositif tel qu'un moteur flagellaire, cela augmenterait radicalement la maniabilité et l'efficacité des nanomachines.

Les moteurs flagellaires des bactéries ont un rotor et un composant fixe qui l’entoure, appelé stator. Si le flagelle faisait partie d’une voiture, le stator serait le moteur. La rotation du stator est transmise au rotor comme un engrenage, provoquant la rotation du rotor. En fonction de la rotation, la bactérie avance ou recule, comme une voiture automatique avec réglages de marche arrière et de conduite. Un complexe protéique appelé anneau C contrôle ce mouvement.

À l’intérieur de l’anneau C, la molécule FliG agit comme un embrayage, passant du mouvement avant au mouvement arrière. Comme dans une voiture, les pièces doivent fonctionner ensemble. Le moindre changement peut affecter le moteur. Dans le moteur flagellaire, ces minuscules changements sont des mutations. Le groupe de Homma a étudié le mutant G215A dans FliG, qui provoque une rotation permanente du moteur dans le sens des aiguilles d'une montre, et l'a comparé à la forme non mutée qui peut se déplacer vers l'avant et vers l'arrière.

Lorsqu'ils ont testé le mutant G215A de l'organisme marin Vibrio alginolyticus, ils ont découvert que ce mouvement dans le sens des aiguilles d'une montre était dû à des changements dans FliG et à l'interaction des molécules d'eau autour de la protéine. Ils ont également vu ces changements sous leur forme normale lorsqu’il tournait dans le sens des aiguilles d’une montre. Cependant, ceux-ci différaient de ceux observés lorsqu'il tournait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

"Le moteur flagellaire tourne dans les deux sens :dans le sens des aiguilles d'une montre pour reculer et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour avancer", a expliqué Homma. "Dans cette étude, nous avons constaté que la structure du FliG et l'interaction des molécules d'eau qui l'entourent sont différentes lorsque le moteur se déplace dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse. Cette différence permet aux bactéries de basculer instantanément entre les mouvements avant et arrière en réponse aux changements environnementaux."

"La clarification des propriétés physiques de la protéine FliG dans les moteurs constitue une avancée significative dans notre compréhension du mécanisme moléculaire qui change le sens de rotation des moteurs, suggérant des moyens de créer des moteurs compacts avec une efficacité de conversion d'énergie plus élevée", a déclaré Homma. "Grâce à ces résultats, il sera possible de concevoir des nanomachines artificielles capables de contrôler librement leur rotation, ce qui devrait être appliqué à divers domaines futurs tels que la médecine et la conception de la vie artificielle."

Plus d'informations : Tatsuro Nishikino et al, Les modifications du réseau hydrophobe du domaine FliGMC induisent une commutation rotationnelle du moteur flagellaire, iScience (2023). DOI :10.1016/j.isci.2023.107320

Informations sur le journal : iScience

Fourni par l'Université de Nagoya