Une activité électrique récemment découverte dans les cellules pourrait changer la façon dont les chercheurs pensent la chimie biologique

Le corps humain dépend fortement des charges électriques. Des impulsions d’énergie semblables à des éclairs traversent le cerveau et les nerfs et la plupart des processus biologiques dépendent des ions électriques qui traversent les membranes de chaque cellule de notre corps.

Ces signaux électriques sont possibles, en partie, à cause d’un déséquilibre des charges électriques qui existe de part et d’autre d’une membrane cellulaire. Jusqu’à récemment, les chercheurs pensaient que la membrane était un élément essentiel pour créer ce déséquilibre. Mais cette pensée a été renversée lorsque des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert que des charges électriques déséquilibrées similaires peuvent exister entre des microgouttelettes d’eau et d’air.

Maintenant, des chercheurs de l’Université Duke ont découvert que ces types de champs électriques existent également à l’intérieur et autour d’un autre type de structure cellulaire appelée condensats biologiques. Comme les gouttelettes d’huile flottant dans l’eau, ces structures existent en raison des différences de densité. Ils forment des compartiments à l’intérieur de la cellule sans avoir besoin de la limite physique d’une membrane.

Inspirés par des recherches antérieures démontrant que les microgouttelettes d’eau interagissant avec l’air ou les surfaces solides créent de minuscules déséquilibres électriques, les chercheurs ont décidé de voir s’il en était de même pour les petits condensats biologiques. Ils voulaient également voir si ces déséquilibres déclenchaient des réactions d’oxygène réactif, « redox », comme ces autres systèmes.

Paru le 28 avril dans le journal Chimie, leur découverte fondamentale pourrait changer la façon dont les chercheurs pensent la chimie biologique. Cela pourrait également fournir un indice sur la façon dont la première vie sur Terre a exploité l’énergie nécessaire pour apparaître.

« Dans un environnement prébiotique sans enzymes pour catalyser les réactions, d’où viendrait l’énergie ? » a demandé Yifan Dai, un chercheur postdoctoral de Duke travaillant dans le laboratoire d’Ashutosh Chilkoti, le professeur émérite Alan L. Kaganov de génie biomédical et de Lingchong You, le professeur émérite James L. Meriam de génie biomédical.

« Cette découverte fournit une explication plausible de l’origine de l’énergie de réaction, tout comme l’énergie potentielle transmise à une charge ponctuelle placée dans un champ électrique », a déclaré Dai.

Lorsque des charges électriques sautent d’un matériau à un autre, elles peuvent produire des fragments moléculaires qui peuvent s’apparier et former des radicaux hydroxyle, qui ont la formule chimique OH. Ceux-ci peuvent ensuite s’apparier à nouveau pour former du peroxyde d’hydrogène (H2O2) en quantités infimes mais détectables.

« Mais les interfaces ont rarement été étudiées dans des régimes biologiques autres que la membrane cellulaire, qui est l’une des parties les plus essentielles de la biologie », a déclaré Dai. « Nous nous demandions donc ce qui pouvait se passer à l’interface des condensats biologiques, c’est-à-dire s’il s’agissait également d’un système asymétrique. »

Les cellules peuvent construire des condensats biologiques pour séparer ou piéger ensemble certaines protéines et molécules, entravant ou favorisant leur activité. Les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment fonctionnent les condensats et à quoi ils pourraient servir.

Parce que le laboratoire Chilkoti se spécialise dans la création de versions synthétiques de condensats biologiques naturels, les chercheurs ont pu facilement créer un banc d’essai pour leur théorie. Après avoir combiné la bonne formule de blocs de construction pour créer de minuscules condensats, avec l’aide du chercheur postdoctoral Marco Messina en ? Le groupe de Christopher J. Chang à l’Université de Californie à Berkeley, ils ont ajouté un colorant au système qui brille en présence d’espèces réactives de l’oxygène.

Leur intuition était juste. Lorsque les conditions environnementales étaient bonnes, une lueur solide a commencé à partir des bords des condensats, confirmant qu’un phénomène jusqu’alors inconnu était à l’œuvre. Dai s’est ensuite entretenu avec Richard Zare, professeur de chimie Marguerite Blake Wilbur à Stanford, dont le groupe a établi le comportement électrique des gouttelettes d’eau. Zare était ravi d’entendre parler du nouveau comportement dans les systèmes biologiques et a commencé à travailler avec le groupe sur le mécanisme sous-jacent.

« Inspirés par des travaux antérieurs sur les gouttelettes d’eau, mon étudiant diplômé, Christian Chamberlayne, et moi avons pensé que les mêmes principes physiques pourraient s’appliquer et promouvoir la chimie redox, comme la formation de molécules de peroxyde d’hydrogène », a déclaré Zare. « Ces résultats suggèrent pourquoi les condensats sont si importants dans le fonctionnement des cellules. »

« La plupart des travaux antérieurs sur les condensats biomoléculaires se sont concentrés sur leurs entrailles », a déclaré Chilkoti. « La découverte de Yifan selon laquelle les condensats biomoléculaires semblent être universellement redox-actifs suggère que les condensats n’ont pas simplement évolué pour remplir des fonctions biologiques spécifiques comme on le comprend généralement, mais qu’ils sont également dotés d’une fonction chimique critique qui est essentielle aux cellules.

Bien que les implications biologiques de cette réaction en cours au sein de nos cellules ne soient pas connues, Dai indique un exemple prébiotique de la puissance de ses effets. Les centrales électriques de nos cellules, appelées mitochondries, créent de l’énergie pour toutes les fonctions de notre vie par le même processus chimique de base. Mais avant que les mitochondries ou même les cellules les plus simples n’existent, quelque chose devait fournir de l’énergie pour que la toute première des fonctions de la vie commence à fonctionner.

Les chercheurs ont proposé que l’énergie soit fournie par des évents thermiques dans les océans ou des sources chaudes. D’autres ont suggéré que cette même réaction redox qui se produit dans les microgouttelettes d’eau a été créée par la pulvérisation des vagues océaniques.

Mais pourquoi ne pas condenser à la place ?

« La magie peut se produire lorsque les substances deviennent minuscules et que le volume interfacial devient énorme par rapport à son volume », a déclaré Dai. « Je pense que les implications sont importantes pour de nombreux domaines différents. »