Des biologistes du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie et leurs collaborateurs ont découvert une protéine aberrante qui est mortelle pour les bactéries. Dans un article qui vient d’être publié dans la revue PLOS ONE, les scientifiques décrivent comment cette protéine construite par erreur imite l’action des aminoglycosides, une classe d’antibiotiques. La protéine nouvellement découverte pourrait servir de modèle pour aider les scientifiques à découvrir les détails des effets létaux de ces médicaments sur les bactéries et potentiellement ouvrir la voie à de futurs antibiotiques.
« Identifier de nouvelles cibles dans les bactéries et des stratégies alternatives pour contrôler la croissance bactérienne va devenir de plus en plus important », a déclaré le biologiste de Brookhaven, Paul Freimuth, qui a dirigé la recherche. Les bactéries ont développé une résistance à de nombreux médicaments couramment utilisés, et de nombreux scientifiques et médecins se sont inquiétés du potentiel d’épidémies à grande échelle déclenchées par ces bactéries résistantes aux antibiotiques, a-t-il expliqué.
« Ce que nous avons découvert est loin de devenir un médicament, mais la première étape consiste à comprendre le mécanisme », a déclaré Freimuth. « Nous avons identifié une seule protéine qui imite l’effet d’un mélange complexe de protéines aberrantes produites lorsque les bactéries sont traitées avec des aminoglycosides. Cela nous donne un moyen d’étudier le mécanisme qui tue les cellules bactériennes. Alors peut-être qu’une nouvelle famille d’inhibiteurs pourrait être développé pour faire la même chose. »
Suite d’une branche intéressante
Les scientifiques de Brookhaven, qui se concentrent normalement sur la recherche liée à l’énergie, ne pensaient pas à la santé humaine lorsqu’ils ont lancé ce projet. Ils utilisaient la bactérie E. coli pour étudier les gènes impliqués dans la construction des parois cellulaires des plantes. Cette recherche pourrait aider les scientifiques à apprendre comment convertir plus efficacement la matière végétale (biomasse) en biocarburants.
Mais lorsqu’ils ont activé l’expression d’un gène végétal particulier, permettant aux bactéries de fabriquer la protéine, les cellules ont immédiatement cessé de croître.
« Cette protéine a eu un effet extrêmement toxique sur les cellules. Toutes les cellules sont mortes en quelques minutes après avoir activé l’expression de ce gène », a déclaré Freimuth.
Comprendre la base de cette inhibition rapide de la croissance cellulaire a fait un projet de recherche idéal pour les stagiaires d’été travaillant dans le laboratoire de Freimuth.
« Les stagiaires pourraient mener des expériences et voir les effets en une seule journée », a-t-il déclaré. Et peut-être qu’ils pourraient aider à comprendre pourquoi une protéine végétale causerait des dommages aussi dramatiques.
Code mal lu, protéines dépliées
« C’est à ce moment-là que ça a vraiment commencé à devenir intéressant », a déclaré Freimuth.
Le groupe a découvert que le facteur toxique n’était pas du tout une protéine végétale. C’était un brin d’acides aminés, les éléments constitutifs des protéines, qui n’avaient aucun sens.
Ce brin absurde avait été produit par erreur lorsque les ribosomes de la bactérie (la machinerie de fabrication des protéines des cellules) ont traduit les lettres qui composent le code génétique « hors phase ». Au lieu de lire le code en morceaux de trois lettres qui codent pour un acide aminé particulier, le ribosome ne lit que les deux secondes lettres d’un morceau plus la première lettre du triplet suivant. Cela a entraîné la mise en place des mauvais acides aminés.
« Ce serait comme lire une phrase commençant au milieu de chaque mot et la joignant à la première moitié du mot suivant pour produire une chaîne de charabia », a déclaré Freimuth.
La protéine de charabia a rappelé à Freimuth une classe d’antibiotiques appelés aminoglycosides. Ces antibiotiques forcent les ribosomes à faire des erreurs de « phasage » similaires et d’autres types d’erreurs lors de la construction des protéines. Résultat : tous les ribosomes de la bactérie fabriquent des protéines charabia.
« Si une cellule bactérienne a 50 000 ribosomes, chacun produisant une protéine aberrante différente, l’effet toxique résulte-t-il d’une protéine aberrante spécifique ou d’une combinaison de plusieurs ? Cette question est apparue il y a des décennies et n’a jamais été résolue », a déclaré Freimuth.
La nouvelle recherche montre qu’une seule protéine aberrante peut être suffisante pour l’effet toxique.
Ce ne serait pas trop tiré par les cheveux. Les brins d’acides aminés absurdes ne peuvent pas se replier correctement pour devenir pleinement fonctionnels. Bien que des protéines mal repliées soient produites dans toutes les cellules par des erreurs fortuites, elles sont généralement détectées et éliminées complètement par des machines de «contrôle de la qualité» dans des cellules saines. La défaillance des systèmes de contrôle de la qualité pourrait entraîner l’accumulation de protéines aberrantes, provoquant des maladies.
Un contrôle qualité raté
L’étape suivante consistait à découvrir si la protéine végétale aberrante pouvait activer le système de contrôle de la qualité des cellules bactériennes ou empêcher d’une manière ou d’une autre ce système de fonctionner.
Freimuth et son équipe ont découvert que la protéine végétale aberrante activait effectivement l’étape initiale du contrôle de la qualité des protéines, mais que les étapes ultérieures du processus directement nécessaires à la dégradation des protéines aberrantes étaient bloquées. Ils ont également découvert que la différence entre la vie et la mort cellulaire dépendait de la vitesse à laquelle la protéine aberrante était produite.
« Lorsque les cellules contenaient de nombreuses copies du gène codant pour la protéine végétale aberrante, la machinerie de contrôle de la qualité a détecté la protéine mais n’a pas été en mesure de la dégrader complètement », a déclaré Freimuth. « Lorsque nous avons réduit le nombre de copies de gènes, cependant, la machinerie de contrôle de la qualité a pu éliminer la protéine toxique et les cellules ont survécu. »
La même chose se produit, a-t-il noté, dans les cellules traitées avec des doses sublétales d’antibiotiques aminoglycosides. « La réponse du contrôle qualité a été fortement activée, mais les cellules ont quand même pu continuer à se développer », a-t-il déclaré.
Modèle pour mécanisme
Ces expériences ont indiqué que la seule protéine végétale aberrante tuait les cellules par le même mécanisme que le mélange complexe de protéines aberrantes induit par les antibiotiques aminoglycosides. Mais le mécanisme précis de la mort cellulaire reste un mystère.
« La bonne nouvelle est que nous avons maintenant une seule protéine, avec une séquence d’acides aminés connue, que nous pouvons utiliser comme modèle pour explorer ce mécanisme », a déclaré Freimuth.
Les scientifiques savent que les cellules traitées avec les antibiotiques deviennent perméables, permettant à des éléments comme les sels de s’infiltrer à des niveaux toxiques. Une hypothèse est que les protéines mal repliées pourraient former de nouveaux canaux dans les membranes cellulaires, ou encore bloquer les portes des canaux existants, permettant la diffusion de sels et d’autres substances toxiques à travers la membrane cellulaire.
« Une prochaine étape consisterait à déterminer les structures de notre protéine en complexe avec les canaux membranaires, afin d’étudier comment la protéine pourrait inhiber la fonction normale des canaux », a déclaré Freimuth.
Cela aiderait à mieux comprendre comment les protéines aberrantes induites par les antibiotiques aminoglycosides tuent les cellules bactériennes et pourraient éclairer la conception de nouveaux médicaments pour déclencher des effets identiques ou similaires.
Un modèle polypeptidique des protéines aberrantes toxiques induites par les antibiotiques aminoglycosides, PLoS ONE (2022). DOI : 10.1371/journal.pone.0258794