Des chercheurs découvrent une alternative à l’ATP pour les moteurs en forme de cordes dans les cellules

Les cellules ont la particularité fascinante d’organiser proprement leur intérieur en utilisant de minuscules machines à protéines appelées moteurs moléculaires qui génèrent des mouvements dirigés. La plupart d’entre eux utilisent un type de carburant commun, une sorte d’énergie chimique, appelée ATP pour fonctionner.

Aujourd’hui, des chercheurs de l’Institut Max Planck de biologie cellulaire moléculaire et de génétique (MPI-CBG), du Cluster d’excellence Physique du vivant (PoL) et du Centre de biotechnologie (BIOTEC) de la TU Dresden à Dresde, en Allemagne, et du National Center for Biological Sciences (NCBS) à Bangalore, en Inde, a découvert un nouveau système moléculaire qui utilise une énergie chimique alternative et emploie un nouveau mécanisme pour effectuer un travail mécanique.

En se contractant et en se dilatant à plusieurs reprises, ce moteur moléculaire fonctionne de manière similaire à un moteur Stirling classique et aide à distribuer la cargaison aux organites liés à la membrane. C’est le premier moteur utilisant deux composants, deux protéines de tailles différentes, Rab5 et EEA1, et est piloté par GTP au lieu d’ATP. Les résultats sont publiés dans la revue Physique naturelle.

Les protéines motrices sont des machines moléculaires remarquables au sein d’une cellule qui convertissent l’énergie chimique, stockée dans une molécule appelée ATP, en travail mécanique. L’exemple le plus frappant est la myosine qui aide nos muscles à bouger. En revanche, les GTPases qui sont de petites protéines n’ont pas été considérées comme des générateurs de force moléculaire.

Un exemple est un moteur moléculaire composé de deux protéines, EEA1 et Rab5. En 2016, une équipe interdisciplinaire de biologistes cellulaires et de biophysiciens des groupes des directeurs du MPI-CBG Marino Zerial et Stephan Grill et de leurs collègues, dont Marcus Jahnel, chef du groupe de recherche PoL et BIOTEC, a découvert que la petite protéine GTPase Rab5 pouvait déclencher une contraction dans EEE1.

Ces protéines d’attache en forme de chaîne peuvent reconnaître la protéine Rab5 présente dans une membrane de vésicule et s’y lier. La reliure du Rab5 beaucoup plus petit envoie un message le long de la structure allongée de l’EEA1, augmentant ainsi sa flexibilité, de la même manière que la cuisson adoucit les spaghettis. Un tel changement de flexibilité produit une force qui tire la vésicule vers la membrane cible, où se produisent l’amarrage et la fusion.

Cependant, l’équipe a également émis l’hypothèse que EEA1 pourrait basculer entre un état flexible et un état rigide, similaire à un mouvement moteur mécanique, simplement en interagissant avec Rab5 seul.

C’est là que s’enclenchent les recherches en cours, concrétisées par les travaux doctoraux des deux premiers auteurs de l’étude. Joan Antoni Soler du groupe de recherche de Marino Zerial au MPI-CBG et Anupam Singh du groupe de Shashi Thutupalli, biophysicien au Simons Center for the Study of Living Machines du NCBS à Bangalore, ont entrepris d’observer expérimentalement ce moteur en action.

Avec un design expérimental pour étudier la dynamique de la protéine EEA1 en tête, Anupam Singh a passé trois mois au MPI-CBG en 2019. « Quand j’ai rencontré Joan, je lui ai expliqué l’idée de mesurer la dynamique de la protéine EEA1. Mais ces les expériences ont nécessité des modifications spécifiques de la protéine qui ont permis de mesurer sa flexibilité en fonction de ses changements structurels », explique Anupam. L’expertise de Joan Antoni Soler en biochimie des protéines était parfaitement adaptée à cette tâche difficile.

« J’ai été ravi d’apprendre que l’approche pour caractériser la protéine EEA1 pouvait déterminer si EEA1 et Rab5 formaient un moteur à deux composants, comme on le soupçonnait auparavant. J’ai réalisé que les difficultés à obtenir les bonnes molécules pouvaient être résolues en modifiant la protéine EEA1 pour permettre aux fluorophores de se fixer à des régions protéiques spécifiques. Cette modification permettrait de caractériser plus facilement la structure de la protéine et les changements qui peuvent survenir lorsqu’elle interagit avec Rab5 », explique Joan Antoni.

Armés des molécules de protéines appropriées et du précieux soutien de la co-auteure Janelle Lauer, chercheuse postdoctorale senior dans le groupe de recherche de Marino Zerial, Joan et Anupam ont pu caractériser en profondeur la dynamique de l’EEA1 à l’aide des microscopes à balayage laser avancés fournis par les installations de microscopie optique. au MPI-CBG et au NCBS.

De manière frappante, ils ont découvert que la protéine EEA1 pouvait subir plusieurs cycles de transition de flexibilité, de rigide à flexible et inversement, uniquement grâce à l’énergie chimique libérée par son interaction avec la GTPase Rab5. Ces expériences ont montré que EEA1 et Rab5 forment un moteur à deux composants entraîné par GTP.

Pour interpréter les résultats, Marcus Jahnel, l’un des auteurs correspondants et chef de groupe de recherche chez PoL et BIOTEC, a développé un nouveau modèle physique pour décrire le couplage entre les étapes chimiques et mécaniques du cycle moteur. Avec Stephan Grill et Shashi Thutupalli, les biophysiciens ont également pu calculer l’efficacité thermodynamique du nouveau système moteur, qui est comparable à celle des protéines motrices conventionnelles pilotées par l’ATP.

« Nos résultats montrent que les protéines EEA1 et Rab5 fonctionnent ensemble comme un système moteur moléculaire à deux composants qui peut transférer de l’énergie chimique en travail mécanique. En conséquence, elles peuvent jouer des rôles mécaniques actifs dans le trafic membranaire. Il est possible que la force- générant un mécanisme de moteur moléculaire peut être conservé dans d’autres molécules et utilisé par plusieurs autres compartiments cellulaires », Marino Zerial résume l’étude.

Marcus Jahnel ajoute : « Je suis ravi que nous ayons enfin pu tester l’idée d’un moteur EEA1-Rab5. C’est formidable de le voir confirmé par ces nouvelles expériences. La plupart des moteurs moléculaires utilisent un type commun de carburant cellulaire appelé ATP. type de carburant, GTP, et ont été considérés principalement comme des molécules de signalisation. Le fait qu’ils puissent également conduire un système moléculaire pour générer des forces et déplacer des objets place ces molécules abondantes sous un nouveau jour intéressant.

Stephan Grill est tout aussi enthousiaste : « C’est une nouvelle classe de moteurs moléculaires ! Celui-ci ne se déplace pas comme le moteur kinésine qui transporte la cargaison le long des microtubules mais effectue un travail tout en restant en place. C’est un peu comme les tentacules d’une pieuvre.

« Le modèle que nous avons utilisé est inspiré de celui du cycle du moteur Stirling classique. Alors que le moteur Stirling traditionnel génère un travail mécanique en dilatant et en comprimant le gaz, le moteur à deux composants décrit utilise des protéines comme substrat de travail, les changements de flexibilité des protéines entraînant une force. En conséquence, ce type de mécanisme ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de moteurs à protéines synthétiques », ajoute Shashi Thutupalli.

Dans l’ensemble, les auteurs espèrent que cette nouvelle étude interdisciplinaire pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche à la fois en biologie cellulaire moléculaire et en biophysique.