Deux langages moléculaires à l’origine de la vie ont été recréés avec succès et validés mathématiquement, grâce aux travaux pionniers de scientifiques canadiens de l’Université de Montréal.
L’étude, « Programmation de la communication chimique : allostérie contre mécanisme multivalent », publiée le 15 août 2023 dans le Journal de l’American Chemical Societyouvre de nouvelles portes pour le développement des nanotechnologies avec des applications allant de la biodétection, à l’administration de médicaments et à l’imagerie moléculaire.
Les organismes vivants sont constitués de milliards de nanomachines et de nanostructures qui communiquent pour créer des entités d’ordre supérieur capables de faire de nombreuses choses essentielles, comme se déplacer, penser, survivre et se reproduire.
« La clé de l’émergence de la vie repose sur le développement de langages moléculaires, également appelés mécanismes de signalisation, qui garantissent que toutes les molécules des organismes vivants travaillent ensemble pour accomplir des tâches spécifiques », a déclaré le chercheur principal de l’étude, Alexis Vallée-Bélisle, professeur en bioingénierie à l’UdeM.
Chez les levures, par exemple, lors de la détection et de la liaison d’une phéromone d’accouplement, des milliards de molécules communiqueront et coordonneront leurs activités pour initier l’union, a déclaré Vallée-Bélisle, titulaire d’une chaire de recherche du Canada en bioingénierie et bionanotechnologie.
« Alors que nous entrons dans l’ère des nanotechnologies, de nombreux scientifiques pensent que la clé de la conception et de la programmation de nanosystèmes artificiels plus complexes et utiles repose sur notre capacité à comprendre et à mieux utiliser les langages moléculaires développés par les organismes vivants », a-t-il déclaré.
Deux types de langues
Un langage moléculaire bien connu est l’allostérie. Le mécanisme de ce langage est « lock-and-key »: une molécule se lie et modifie la structure d’une autre molécule, lui ordonnant de déclencher ou d’inhiber une activité.
Un autre langage moléculaire moins connu est la multivalence, également connue sous le nom d’effet chélate. Cela fonctionne comme un puzzle : lorsqu’une molécule se lie à une autre, elle facilite (ou non) la liaison d’une troisième molécule en augmentant simplement son interface de liaison.
Bien que ces deux langages soient observés dans tous les systèmes moléculaires de tous les organismes vivants, ce n’est que récemment que les scientifiques ont commencé à comprendre leurs règles et principes, et donc à utiliser ces langages pour concevoir et programmer de nouvelles nanotechnologies artificielles.
« Compte tenu de la complexité des nanosystèmes naturels, personne n’était auparavant en mesure de comparer les règles de base, les avantages ou les limites de ces deux langages sur le même système », a déclaré Vallée-Bélisle.
Pour ce faire, son étudiant au doctorat Dominic Lauzon, premier auteur de l’étude, a eu l’idée de créer un système moléculaire à base d’ADN qui pourrait fonctionner en utilisant les deux langages. « L’ADN est comme des briques Lego pour les nano-ingénieurs », a déclaré Lauzon. « C’est une molécule remarquable qui offre une chimie simple, programmable et facile à utiliser. »
Des équations mathématiques simples pour détecter les anticorps
Les chercheurs ont découvert que des équations mathématiques simples pouvaient bien décrire les deux langages, ce qui démêlait les paramètres et les règles de conception pour programmer la communication entre les molécules au sein d’un nanosystème.
Par exemple, alors que le langage multivalent permettait de contrôler à la fois la sensibilité et la coopérativité de l’activation ou de la désactivation des molécules, la traduction allostérique correspondante ne permettait de contrôler que la sensibilité de la réponse.
Avec cette nouvelle compréhension à portée de main, les chercheurs ont utilisé le langage de la multivalence pour concevoir et fabriquer un capteur d’anticorps programmable qui permet la détection d’anticorps sur différentes plages de concentration.
« Comme l’a montré la récente pandémie, notre capacité à surveiller avec précision la concentration d’anticorps dans la population générale est un outil puissant pour déterminer l’immunité individuelle et collective des gens », a déclaré Vallée-Bélisle.
En plus d’élargir la boîte à outils synthétique pour créer la prochaine génération de nanotechnologies, la découverte du scientifique met également en lumière les raisons pour lesquelles certains nanosystèmes naturels peuvent avoir choisi un langage plutôt qu’un autre pour communiquer des informations chimiques.
Plus d’information:
Dominic Lauzon et al, Programmation de la communication chimique : mécanisme allostérique vs multivalent, Journal de l’American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c04045