La spiculogénèse ou la croissance de structures semblables à du verre et la biominéralisation chez les premières espèces d’éponges ont conduit à la réalisation d’architectures verrières très régulières dans la nature. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Sciences avancéesHermann Ehrlich et une équipe de scientifiques internationaux ont étudié un rôle auparavant inconnu de la protéine actine.
L’équipe de biominéralogistes a utilisé des méthodes bioanalytiques modernes pour montrer la présence de la protéine actine dans structures en verre d’éponges poser une question clé : « comment pousse le verre biologique ? » L’actine est un membre fondamental d’une ancienne superfamille de protéines intracellulaires structurelles et joue un rôle important dans le cytosquelette cellulaire et dans la dynamique cellulaire dans les deux procaryotes et eucaryotes. La protéine a des fonctions supplémentaires dans métazoaires, modélisant le dépôt de biosilice pendant plus de 500 millions d’années. Dans ce travail, l’équipe a fourni une réponse à une question fondamentale de la science des biomatériaux bioinspirés relative à la croissance du «verre biologique» pour montrer comment les filaments axiaux sont modelés dans l’architecture de silice des métazoaires in vivo. Les scientifiques ont également montré pourquoi les métazoaires ont dépassé les températures ambiantes (de -1,9°C à 24°C) pour atteindre des dimensions de l’ordre du mètre.
Actine est pleine de surprises
L’auteur principal de l’étude, Hermann Ehrlich, qui est professeur et chef du groupe de recherche sur la biominéralogie et la biomimétique extrême à l’Université des mines et de la technologie de Freiberg en Allemagne, a commenté le processus comme « l’une des protéines fondamentales les plus étudiées qui détient encore surprises. … des découvertes récentes ont montré comment l’actine jouait un nouveau rôle pour organiser le schéma du squelette du plus basal des animaux – les éponges. » Les chercheurs ont résumé leur stratégie comme « une tentative de voir ce que tout le monde a vu et de penser ce que personne n’a pensé ». Pour mener à bien cet ambitieux plan de recherche relatif au rôle de l’actine dans les éponges marines, Ehrlich et al. utilisé une gamme de méthodes bioanalytiques, y compris protéomique, Western blotcoloration à la phalloïdine, immunomarquage, microscopie électronique à transmission haute résolution, Spectroscopie Raman et Techniques de transformée de Fourier rapide. En utilisant ces méthodes, l’équipe a montré comment les filaments axiaux dans une gamme de classes d’éponges représentatives, y compris Hexactinellides et Démosponges étaient faits de F-actine. Ehrlich a déclaré: « Étonnamment, même les filaments axiaux géants de l’éponge de verre géante Monoraphis chuni sont composés de F-actine, pour révéler les plus grands faisceaux de filaments d’actine jamais signalés. »
Un rôle ancien avec une touche moderne.
L’équipe a souligné comment la morphologie conservée des biomatériaux spongieux décrit un rôle ancien que la F-actine a joué pendant au moins 545 millions d’années. Dans l’étude, Ehrlich et al. a proposé que la F-actine soit localisée dans un espace de construction siliceux intracellulaire ancestral. La croissance de particules structurelles semblables à du verre connues sous le nom de spicules ou spiculogenèse aurait pu déplacer les matériaux vers des espaces extracellulaires, où l’actine a continué à jouer un rôle de formation de motifs. Les scientifiques ont montré comment l’actine au sein de ces structures de verre semblait remplir une nouvelle fonction en tant que force motrice pour définir la diversité des structures sophistiquées de biosilice dans les éponges. Au cours de l’étude, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour travailler à l’échelle microscopique, afin d’isoler les filaments axiaux des microstructures siliceuses issues de diverses espèces d’éponges. Les scientifiques ont doucement appliqué une goutte de 10 pour cent acide hydrofluorique sur la surface d’un spicule, pour permettre à l’acide de dissoudre la biosilice et de laisser la matrice organique intacte. Utiliser la démarche et accompagner coloration par immunofluorescence, Ehrlich et al. actine identifiée dans les filaments axiaux d’une variété d’éponges.
Caractérisation des filaments d’actine
L’équipe de recherche a utilisé un large éventail d’expériences, par exemple en utilisant la protéomique, pour révéler l’actine en tant que composant des filaments axiaux, tout en révélant également la présence d’actine dans les spicules d’éponges de verre. Ils ont également utilisé la microscopie électronique à transmission à haute résolution pour visualiser et comprendre le structure périodique de l’actinesuivie d’une imagerie par transformée de Fourier pour déterminer la structure de ces cristaux, tout en étudiant l’organisation nanostructurale des filaments axiaux, typique de la F-actine. Ils ont alors mené essais d’inhibition prévenir la formation de spicules explorer le rôle de l’actine lors du développement des spicules in vivo. Les résultats de la recherche ont fait écho à des travaux antérieurs, qui ont montré comment la perturbation du réseau d’actine interférait avec la sécrétion d’éléments biominéralisés dans haptophytes marins unicellulaires. Ehrlich et al. envisagent une direction audacieuse pour les résultats de la recherche, écrivant que ces découvertes « auront un impact sur la recherche dans un large éventail de disciplines, y compris la science des matériaux bioinspirés, la biomécanique, la biominéralisation, la chimie de la science, les matériaux fonctionnels et la biomimétique ».
Perspectives pour le biomimétique extrême
L’équipe a l’intention de conduire la polymérisation in vitro de monomères d’actine en filaments dans des conditions modèles en présence de acide silicique. De cette façon, Hermann Ehrlich et ses collègues ont confirmé la présence d’actine dans des constructions squelettiques silicifiées d’éponges sélectionnées d’eau froide et chaude. La large plage de température a confirmé la présence d’actine sous forme de filaments axiaux riches en actine dans Hexactinellides et Démosponges éponges pour générer des motifs et créer l’étonnante diversité structurelle de squelettes à base de biosilice—une source d’inspiration dans la science des matériaux biologiques. L’équipe a supposé que le rôle de l’actine était ancien en raison de la conservation morphologique des éponges à travers les archives fossiles pendant au moins 545 millions d’années. Ils ont proposé l’évolution de la F-actine dans des constructions intracellulaires ancestrales dans le but de créer des biomatériaux 3D sophistiqués et de nouveaux matériaux contenant du silicate en laboratoire. Les scientifiques écrivent: « La perspective de créer de nouveaux matériaux contenant du silicate en utilisant des filaments d’actine pour maintenir des architectures tridimensionnelles sera extrêmement intéressante pour former un modèle biomimétique et examiner la minéralisation en laboratoire. »
Hermann Ehrlich et al, Arrêté dans du verre : Actine dans des architectures sophistiquées de biosilice dans des éponges, Sciences avancées (2022). DOI : 10.1002/advs.202105059
Hermann Ehrlich et al, La minéralisation des structures de biosilice d’un mètre de long des éponges de verre est modélisée sur du collagène hydroxylé, Chimie naturelle (2010). DOI : 10.1038/nchem.899
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