La kinésine et les microtubules (MT) sont des composants majeurs du cytosquelette dans les cellules des organismes vivants. La kinésine et les microtubules jouent ensemble des rôles cruciaux dans un large éventail de fonctions cellulaires, notamment le transport intracellulaire. Les développements récents en bioingénierie et en biotechnologie permettent d’utiliser ces molécules naturelles comme composants de machines moléculaires et de robots moléculaires. Le test de glissement in vitro a été la meilleure plate-forme pour évaluer le potentiel de ces biomolécules pour les machines moléculaires.
Une équipe de scientifiques dirigée par le professeur adjoint Arif Md. Rashedul Kabir de l’Université d’Hokkaido a rapporté une méthode simple et directe pour contrôler de manière réversible et dynamique la rigidité des MT propulsés par la kinésine. Leurs conclusions ont été publiées dans ACS Omégaune revue publiée par l’American Chemical Society (ACS).
Dans un test de glissement in vitro, les molécules de kinésine sont attachées à un matériau de base et propulsent les MT en tant que navettes moléculaires. La rigidité des MT mobiles est une mesure cruciale qui détermine le succès de leurs applications en tant que composant de machines moléculaires. L’un des principaux obstacles à la régulation de la rigidité des MT est que les méthodes précédentes affectaient la rigidité des MT de façon permanente et étaient irréversibles. Le développement d’une méthode pour contrôler la rigidité des MT de manière réversible permettrait un ajustement dynamique des propriétés et des fonctions des MT, et constituerait un développement massif dans les machines moléculaires, la robotique moléculaire et les domaines connexes.
Kabir et ses collègues ont utilisé le N-oxyde de triméthylamine (TMAO), une molécule qui agit comme un osmolyte dans de nombreux organismes des grands fonds, pour étudier ses effets sur les MT dans un test de glissement in vitro. Le TMAO est connu pour stabiliser les protéines dans des conditions stressantes ou dénaturantes de chaleur, de pression et de produits chimiques. L’équipe a démontré que le TMAO affecte la rigidité des MT sans dépendre de la nécessité de modifications des structures MT.
À des concentrations relativement faibles de TMAO (0 mM à 200 mM), les MT sont restés droits et rigides et le mouvement des MT dans le test de glissement n’a pas été affecté. Au fur et à mesure que la concentration de TMAO augmentait davantage, les MT montraient une flexion ou un flambage et leur vitesse diminuait. L’équipe a quantifié cet effet du TMAO sur la conformation du MT, montrant que la longueur de persistance, une mesure de la rigidité, des MT était de 285 ± 47 μm en l’absence de TMAO et qu’elle diminuait à 37 ± 4 μm en présence de 1500 mM TMAO.
L’équipe a en outre démontré que le processus était complètement réversible, les MT retrouvant leur longueur et leur vitesse de persistance d’origine lorsque le TMAO a été éliminé. Ces résultats ont confirmé que le TMAO peut être utilisé pour moduler de manière réversible les propriétés mécaniques et les fonctions dynamiques des MT.
Enfin, l’équipe a étudié le mécanisme par lequel le TMAO modifie la rigidité des MT. Sur la base de leurs enquêtes, le Dr Arif Md. Rashedul Kabir et les membres de son équipe ont conclu que le TMAO perturbe l’uniformité de la force appliquée par les kinésines le long des MT dans le test de glissement ; la force non uniforme générée par les kinésines semble être responsable du changement de rigidité ou de longueur de persistance des MT propulsés par les kinésines.
« Cette étude a démontré une méthode facile pour réguler la rigidité MT de manière réversible dans un test de glissement in vitro sans dépendre d’aucune modification des structures MT », a déclaré Kabir. Les travaux futurs se concentreront sur l’élucidation du mécanisme exact par lequel TMAO agit, ainsi que sur l’utilisation de TMAO pour contrôler les propriétés et les fonctions des MT et des kinésines, ce qui sera à son tour bénéfique pour les machines moléculaires et la robotique moléculaire.
Arif Md. Rashedul Kabir et al, Contrôle de la rigidité des microtubules propulsés par la kinésine dans un essai de glissement in vitro à l’aide du N-oxyde de triméthylamine d’osmolyte en haute mer, ACS Oméga (2022). DOI : 10.1021/acsomega.1c06699