Comment les composés « inertes » peuvent voler des ions

Les cellules produisent de nombreux complexes différents. Ces complexes peuvent occuper 40% du volume de la cellule, faisant de la cellule un environnement assez encombré. Pour cette raison, une description complète du comportement cellulaire complexe est un défi qui nécessite une enquête plus approfondie. Pour imiter la nature encombrée de la cellule, les chercheurs appliquent généralement des molécules chimiquement inertes, comme des polymères non ioniques, créant des solutions qui agissent comme des obstacles pour les molécules biologiquement actives tout en réagissant. Cependant, ces composés inertes ne sont pas aussi inertes qu’ils devraient l’être. Il s’avère qu’ils ont tendance à « voler » des ions et c’était un vrai problème pour les chercheurs. Même un changement mineur de la concentration en ions dans la cellule peut affecter considérablement les réactions biochimiques. Récemment, des scientifiques de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences, dirigé par le prof. Robert Holyst, a présenté des recherches qui nous rapprochent de la compréhension des changements jusqu’à 1000 fois dans les constantes d’équilibre de la formation de complexes biochimiques se produisant dans un environnement très encombré.

Notre corps est constitué de nombreuses structures complexes travaillant ensemble. Il contient des milliards de cellules – des éléments constitutifs essentiels – et chacune d’entre elles est spécialisée dans une fonction différente. Leurs mécanismes internes ne sont pas encore entièrement compris, en particulier en ce qui concerne les interactions spécifiques entre des molécules particulières. De plus, le mécanisme dépend de la concentration en ions dans une certaine zone de la cellule. Étant donné que notre corps traite des milliards d’opérations de ce type chaque seconde, nous ne les remarquons même pas. Les réactions biochimiques qui se déroulent à l’intérieur d’une cellule dépendent fréquemment de la force ionique qui définit la concentration d’ions dans une partie donnée de la cellule. Par conséquent, l’équilibre de la formation de nombreux complexes biochimiques (par exemple, des complexes protéine-protéine, protéine-ARN ou la formation d’un double brin d’ADN) peut changer de manière significative en fonction de la force ionique. De plus, la nature surpeuplée de la cellule a également une influence sur ces processus chimiques.

Examinons de plus près le cytoplasme à l’intérieur de la cellule. Il peut être comparé à une piscine pleine de composants de différentes tailles et formes. Outre l’eau, le cytoplasme contient également des ribosomes, de petites molécules, des protéines ou des complexes protéine-ARN, des composants filamenteux du cytosquelette, des ions et des compartiments cellulaires (par exemple, mitochondries, lysosomes, noyau, etc.). Cela fait du cytoplasme un environnement assez complexe et encombré. Dans de telles conditions, chaque paramètre comme la force ionique ou le pH peut avoir un impact significatif sur la biologie des cellules vivantes. L’un des mécanismes qui maintiennent le bon équilibre des ions dans la cellule sont les pompes sodium-potassium placées dans les membranes biologiques des cellules humaines vivantes. Ils régulent en permanence le niveau d’ions à l’intérieur de chaque cellule.

Les approches classiques de détermination des mécanismes cellulaires reposent bien souvent sur des mesures réalisées en milieu artificiel avec l’utilisation de nombreux composés chimiques mimant l’intérieur des cellules. Jusqu’à présent, la recherche sur le déroulement exact des mécanismes cellulaires est très distincte des processus se produisant naturellement, en particulier lorsqu’il s’agit d’interactions entre macromolécules. L’étude des processus biochimiques de complexation est un défi, en particulier dans les conditions externes où les ions présents dans les solutions utilisées affectent également les résultats expérimentaux finaux. Pour imiter l’environnement cellulaire surpeuplé, de nombreuses molécules différentes en forme de chaîne comme le polyéthylène et l’éthylène glycol, le glycérol, le ficoll et les dextranes ont été utilisées à des concentrations élevées (même à 40-50% en masse de la solution) pour servir de milieu visqueux. Pourquoi sont-ils si populaires ? En raison de leur nature inerte. Cependant, des études récentes montrent que cette propriété est un peu différente de ce que nous pensons. Étonnamment, ils peuvent « voler » des ions lors de réactions biochimiques.

Des chercheurs de l’Institut de chimie physique de l’Académie polonaise des sciences dirigés par le professeur Robert Holyst ont présenté une nouvelle approche dans ce domaine. Ils ont étudié l’hybridation de l’ADN. Comme cette réaction complexe est sensible à la concentration d’ions due au chargement des brins en double hélice dans certains environnements, elle a été choisie comme un bon indicateur pour cette expérience. Sur la base de ce modèle, les chercheurs ont étudié la complexation d’ions particuliers comme le sodium Na+ en présence de différentes molécules tout en maintenant un environnement encombré. Ils ont également modifié la viscosité de la solution en utilisant des molécules augmentant l’encombrement.

« Nous avons exploré une réaction biochimique complexe en fonction de la force ionique qui décrit la concentration des ions dans la solution et la distance de répulsion électrostatique effective entre des molécules particulières », remarque le premier auteur Krzysztof Bielec.

Les expériences menées ont montré que les interactions entre les molécules sont renforcées à une concentration en sel plus élevée. De plus, l’ajout de polymères augmentant l’encombrement moléculaire et la viscosité à l’environnement réactionnel influence également la dynamique des processus biochimiques, entravant la formation de complexes. En milieu encombré, la complexation peut être même 1000 fois moins favorable qu’en tampon pur. Ces résultats montrent que les réactions biochimiques peuvent être perturbées même avec des modifications mineures des conditions expérimentales.

Krzysztof Bielec affirme que « la formation d’un squelette d’ADN double brin est basée sur l’interaction électrostatique entre deux brins complémentaires chargés négativement. Nous avons surveillé l’effet de l’environnement encombré sur l’hybridation des brins complémentaires dans le régime de concentration biochimique nanomolaire, puis , nous avons déterminé la complexation des ions sodium par les crowders. Ensuite, nous avons déterminé la complexation des ions sodium en fonction de l’environnement de surpeuplement. Le site de liaison pour le cation dans la structure du crowder peut différer même entre les crowders de la même fraction de liaison (groupe fonctionnel). Par conséquent, nous avons calculé l’interaction avec crowder par molécule ou monomère (dans le cas des polymères). Ce modèle simplifie les interactions entre les ions et les molécules crowder.

À la grande surprise des chercheurs, il s’est avéré que les polymères non ioniques couramment considérés comme non réactifs utilisés pour imiter les conditions cytoplasmiques peuvent complexer (en un sens, « voler ») les ions nécessaires à une hybridation efficace de l’ADN. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une interaction dominante entre ces polymères et les ions, lorsqu’une concentration énorme de polymères (plusieurs dizaines de pour cent de la masse de la solution) est utilisée, l’effet est perceptible et important pour le déroulement des processus biochimiques. En déterminant la stabilité des complexes formés en présence de crowders particuliers, les auteurs prétendent pouvoir démontrer l’influence des ions au niveau moléculaire mimant la nature. Ces expériences mettent en lumière les mécanismes peu clairs dans les cellules et soulignent l’importance d’une analyse plus approfondie des réactions étudiées dans l’environnement artificiel.

Grâce aux résultats présentés par les chercheurs de l’IPC PAS, nous faisons un pas de plus vers la compréhension de processus moléculaires particuliers dans les cellules vivantes. Une description détaillée des mécanismes à l’échelle moléculaire a des implications pratiques ; par exemple, il est extrêmement important pour concevoir de nouveaux médicaments, en particulier pour prédire des processus particuliers qui se produisent dans les cellules surpeuplées pendant le traitement. Il peut être utile dans la planification précise des expériences en.

La recherche a été publiée dans Le Journal des lettres de chimie physique.