Tout en menant une enquête autrement simple sur le mécanisme d’assemblage des amas de calcium-phosphate, des chercheurs de l’UC Santa Barbara et de l’Université de New York (NYU) ont fait une découverte surprenante : les ions phosphate dans l’eau ont la curieuse habitude d’alterner spontanément entre leur état hydraté couramment rencontré et un état « sombre » mystérieux, jamais signalé auparavant.
Ce comportement récemment découvert, disent-ils, a des implications pour la compréhension du rôle des espèces de phosphate dans la biocatalyse, l’équilibre énergétique cellulaire et la formation de biomatériaux. Leurs conclusions sont publiées dans le Actes de l’Académie nationale des sciences
« Le phosphate est partout », a déclaré Songi Han, professeur de chimie à l’UCSB, l’un des auteurs d’un article dans les Actes de l’Académie nationale des sciences. L’ion est constitué d’un atome de phosphore entouré de quatre atomes d’oxygène. « C’est dans notre sang et dans notre sérum », a poursuivi Han. « C’est dans le tampon de chaque biologiste, c’est sur notre ADN et notre ARN. » C’est aussi un composant structurel de nos os et de nos membranes cellulaires, a-t-elle ajouté.
Lorsqu’ils sont liés au calcium, les phosphates forment de petits amas moléculaires sur leur chemin vers la formation de dépôts minéraux dans les cellules et les os. C’est ce que Han et ses collaborateurs Matthew Helgeson à l’UCSB et Alexej Jerschow à NYU se préparaient à étudier et à caractériser, dans l’espoir de découvrir les comportements quantiques dans les amas de phosphate symétriques proposés par le professeur de physique de l’UCSB Matthew Fisher. Mais d’abord, les chercheurs ont dû mettre en place des expériences de contrôle, qui impliquaient des balayages d’ions phosphate en l’absence de calcium via la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et la microscopie électronique à transmission cryogénique (cryo-TEM).
Mais alors que les étudiants de l’UCSB et de la NYU sur le projet collectaient des données de référence, qui impliquaient l’isotope naturel phosphore 31 dans des solutions aqueuses à des concentrations et des températures variables, leurs résultats ne correspondaient pas aux attentes. Par exemple, a déclaré Han, la ligne qui représente le spectre du 31P lors des analyses RMN est censée se rétrécir avec l’augmentation des températures.
« La raison en est que lorsque vous montez à des températures plus élevées, les molécules chutent plus rapidement », a-t-elle expliqué. Typiquement, ce mouvement moléculaire rapide ferait la moyenne des interactions anisotropes, ou des interactions qui dépendent des orientations relatives de ces petites molécules. Le résultat serait un rétrécissement des résonances mesurées par l’instrument RMN.
« Nous nous attendions à un signal RMN du phosphore, qui est simple, avec un pic qui se rétrécit avec des températures plus élevées », a-t-elle déclaré. « Étonnamment, cependant, nous avons mesuré des spectres qui s’élargissaient, faisant tout le contraire de ce à quoi nous nous attendions. »
Ce résultat contre-intuitif a mis l’équipe sur une nouvelle voie, suivant expérience après expérience pour déterminer sa cause au niveau moléculaire. La conclusion, après un an à éliminer une hypothèse après l’autre ? Les ions phosphate formaient des amas dans un large éventail de conditions biologiques – des amas qui échappaient à la détection spectroscopique directe, ce qui explique probablement pourquoi ils n’avaient pas été observés auparavant. De plus, les mesures ont suggéré que ces ions alternaient entre un état « libre » visible et un état « assemblé » sombre, d’où l’élargissement du signal au lieu d’un pic net.
De plus, à mesure que la température augmentait, le nombre de ces états assemblés augmentait également, un autre comportement dépendant de la température, selon le co-auteur principal Mesopotamia Nowotarski.
« La conclusion de ces expériences était que les phosphates se déshydratent et cela leur permet de se rapprocher », a-t-elle déclaré. À des températures plus basses, la grande majorité de ces phosphates en solution s’accrochent aux molécules d’eau qui forment une couche d’eau protectrice autour d’eux. Cet état hydraté est généralement supposé lorsque l’on considère le comportement du phosphate dans les systèmes biologiques.
Mais à des températures plus élevées, a expliqué Nowotarski, ils perdent leurs boucliers d’eau, ce qui leur permet de se coller les uns aux autres. Ce concept a été confirmé par des expériences de RMN qui ont sondé la coquille d’eau de phosphate, et validé par l’analyse d’images cryo-TEM pour identifier l’existence de clusters, ainsi que la modélisation de l’énergétique de l’assemblage de phosphate par le co-auteur principal Joshua Straub.
Ces assemblages dynamiques de phosphate et ces coquilles d’hydratation ont des implications importantes pour la biologie et la biochimie, selon les chercheurs. Le phosphate, a déclaré l’ingénieur chimiste Matthew Helgeson, est une « monnaie » communément utilisée dans les systèmes biologiques pour stocker et consommer de l’énergie par conversion en adénosine triphosphate (ATP) et adénosine diphosphate (ADP).
« Si le phosphate hydraté, l’ADP et l’ATP représentent de petites « billets » de monnaie, cette nouvelle découverte suggère que ces monnaies plus petites peuvent s’échanger avec des coupures beaucoup plus importantes – disons 100 dollars – qui peuvent avoir des interactions très différentes avec les processus biochimiques que les mécanismes actuellement connus », a-t-il déclaré. m’a dit.
En outre, de nombreux composants biomoléculaires comprennent des groupes phosphate qui peuvent, de la même manière, former des amas. Par conséquent, la découverte que ces phosphates peuvent s’assembler spontanément pourrait éclairer d’autres processus biologiques fondamentaux tels que la biominéralisation, la formation des coquilles et des squelettes, ainsi que les interactions protéiques.
« Nous avons également testé une gamme de phosphates, y compris ceux incorporés dans la molécule d’ATP, et ils semblent tous montrer le même phénomène, et nous avons réalisé une analyse quantitative pour ces assemblages », a déclaré le co-auteur principal Jiaqi Lu.
Ce processus autrefois négligé pourrait également être important dans les domaines de la signalisation cellulaire, du métabolisme et des processus pathologiques tels que la maladie d’Alzheimer, où l’attachement d’un groupe phosphate, ou phosphorylation, à la protéine tau dans notre cerveau se trouve couramment dans les enchevêtrements neurofibrillaires – un caractéristique de la neurodégénérescence. Après avoir vu et étudié ce comportement d’assemblage, l’équipe creuse maintenant plus profondément, avec des études sur l’effet du pH sur l’assemblage du phosphate, la traduction génétique et l’assemblage des protéines modifiées, ainsi que leurs travaux originaux sur l’assemblage du phosphate de calcium.
« Cela change vraiment la façon dont nous pensons au rôle des groupes phosphate que nous ne considérons généralement pas comme un moteur de l’assemblage moléculaire », a déclaré Han.
Plus d’information:
Joshua S. Straub et al, Les phosphates forment des assemblages à l’état sombre par spectroscopie dans des solutions aqueuses courantes, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2206765120