Des physiciens de l'Université Memorial utilisent des faisceaux de neutrons pour faire la lumière sur les comportements moléculaires qui sont fondamentaux pour le fonctionnement interne des cellules vivantes.
Plus d'un siècle après qu'Albert Einstein a prédit le phénomène des ondes gravitationnelles, un groupe de physiciens a remporté le prix Nobel de physique 2017 pour avoir enfin confirmé l'existence de ces ondes. Il est clair que les théories d'Einstein continuent de stimuler les recherches scientifiques sur le monde qui nous entoure. Et si les découvertes d'Einstein sont surtout connues pour avoir élucidé la nature théorique de l'univers (par exemple, sa théorie de la relativité), elles ont également permis aux scientifiques modernes de comprendre le fonctionnement interne des cellules, les éléments constitutifs de la vie.
La plus grande contribution d'Einstein à la biologie cellulaire est peut-être son explication de la diffusion (c'est-à-dire la raison pour laquelle une particule solide en suspension dans de l'eau calme se déplace de manière aléatoire au lieu de rester immobile). Selon la théorie d'Einstein, la diffusion se produit lorsque les molécules d'eau - qui sont constamment en mouvement - entrent en collision de manière aléatoire avec ces particules en suspension, et la vitesse moyenne de ce mouvement aléatoire est directement liée à la taille et à la température de la particule.
Aujourd'hui, les scientifiques utilisent régulièrement ces principes pour déterminer la taille de grosses molécules, appelées « polymères », en mesurant leur vitesse de diffusion dans une solution d'eau. Les chercheurs étudient également la diffusion des polymères (y compris les protéines) dans les cellules afin de connaître les fonctions cellulaires de ces molécules. Il s'agit d'un travail important, car la vitesse de diffusion et la distribution des polymères peuvent affecter des milliers de réactions chimiques qui se déroulent à tout moment dans une cellule.
« Yethiraj devait trouver un moyen de déterminer avec précision la taille des polymères dans une solution et, pour ce faire, il s'est tourné vers les faisceaux de neutrons »
Bien que les mouvements des polymères soient fondamentaux pour le fonctionnement des cellules, il existe des lacunes dans la compréhension scientifique des différences entre la simple diffusion sans entrave et la diffusion dans un environnement intracellulaire encombré. En effet, les cellules vivantes sont remplies d'un mélange complexe de milliers de molécules différentes, qui ont toutes leurs propres caractéristiques.
En fait, les polymères se comportent un peu comme des personnes dans un environnement surpeuplé. Par exemple, dans une salle bondée ou un wagon de métro plein à craquer, les gens ralentissent généralement et essaient d'occuper moins d'espace en gardant leurs bras et leurs affaires plus près de leur torse. De même, la recherche a montré que les protéines ralentissent également et ramènent leurs parties semblables à des membres lorsqu'elles se trouvent à l'intérieur d'une cellule encombrée.
Ainsi, dans un environnement cellulaire réel, il est plus compliqué de déterminer la taille réelle d'un polymère (et donc son comportement de diffusion) que dans une solution aqueuse. En effet, « comme l'encombrement affecte à la fois la taille et la vitesse des protéines, on ne peut plus se contenter de mesurer leur vitesse pour déterminer leur taille », explique le professeur Anand Yethiraj, physicien à l'Université Memorial. Malheureusement, la plupart des techniques scientifiques utilisées aujourd'hui pour étudier la diffusion, notamment celles basées sur la résonance magnétique nucléaire (RMN) et la rhéométrie, ne peuvent pas donner une image complète de ce qui se passe à l'intérieur d'une cellule parce qu'elles reposent trop sur la mesure de la vitesse pour déterminer la taille.
C'est pourquoi, afin de mieux comprendre ce qui se passe réellement à l'intérieur des cellules vivantes, M. Yethiraj construit des systèmes modèles d'environnements cellulaires relativement simples mais très peuplés. Pour tester la validité de ses systèmes modèles, Yethiraj a dû trouver un moyen de déterminer avec précision la taille des polymères dans une solution et, pour ce faire, il s'est tourné vers les faisceaux de neutrons.
En collaboration avec des physiciens de l'université du Wisconsin et de l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) aux États-Unis, M. Yethiraj et Swomitra Palit, étudiante diplômée, ont démontré que les faisceaux de neutrons peuvent effectivement être utilisés pour obtenir des mesures indépendantes de la taille des polymères dans des solutions encombrées. Pour obtenir ces mesures, ils se sont rendus à l'ORNL afin d'utiliser une technique spécialisée appelée « diffusion de neutrons aux petits angles » (SANS), qui n'est actuellement pas disponible au Canada (bien qu'une ligne de faisceau SANS soit actuellement en cours de construction au réacteur nucléaire McMaster et devrait être achevée en 2019).
Yethiraj et Palit ont ensuite combiné leurs mesures provenant des expériences de faisceau de neutrons avec les données de NMR et de rhéométrie pour la même solution encombrée. Cette combinaison de résultats a permis aux chercheurs de commencer à démêler les relations entre l'encombrement d'une solution, la taille des molécules d'encombrement, la compression des polymères et l'impact sur la vitesse de diffusion. Ces résultats combinés ont ensuite pu être comparés de manière significative aux simulations informatiques du système modèle de Yethiraj, confirmant de nombreux aspects du modèle tout en révélant certains domaines dans lesquels les simulations ne permettaient pas de prédire les comportements observés. Cette puissante démonstration d'approches combinées était si convaincante qu'elle a justifié une publication dans la prestigieuse revue de physique Physical Review Letters en mars 2017 (doi:10.1103/PhysRevLett.118.097801).
« La démonstration puissante de Yethiraj sur les approches combinées était si convaincante qu'elle a justifié une publication dans la prestigieuse revue de physique Physical Review Letters »
Après cette première démonstration, l'équipe de Yethiraj a commencé à appliquer ces mêmes méthodes pour modéliser des systèmes de plus en plus complexes et de plus en plus proches des systèmes vivants. Par exemple, alors que leur première expérience utilisait des molécules d'encombrement électriquement neutres dans la solution, les chercheurs ont utilisé des molécules d'encombrement électriquement chargées dans leurs expériences suivantes. Fait intéressant, ils ont constaté que la charge électrique entraînait une augmentation légère mais significative de la vitesse des polymères.
« Il est difficile d'obtenir du temps de faisceau dans les installations américaines. Nous ne disposons que de la moitié du temps dont nous avons besoin »
Les chercheurs ont ensuite déterminé la vitesse de déplacement des polymères dans un milieu plus biologiquement pertinent : le liquide extrait des bactéries. Ils ont notamment constaté que la vitesse des polymères dans le fluide bactérien était plus rapide que la vitesse observée avec les molécules d’encombrement neutres, mais plus lente que la vitesse observée avec les molécules chargées. Cela suggère que l'utilisation de molécules d'encombrement chargées et non chargées permettrait aux chercheurs d'imiter les fluides organiques dans leurs systèmes modèles non biologiques. Ces résultats ont été publiés en septembre 2017 (doi:10.1063/1.4986353).
Yethiraj est impatient de mener d'autres expériences de suivi, mais il a besoin de plus de temps sur une ligne de faisceau SANS. « Il est difficile d'obtenir du temps de faisceau dans les installations américaines », explique-t-il. « Nous n'obtenons que la moitié du temps dont nous avons besoin sur les lignes de faisceaux SANS, car la demande est beaucoup plus importante que l'offre ». Néanmoins, son équipe de recherche n'a pas d'autre choix que de continuer à demander du temps, car les mesures de taille que les neutrons permettent d'obtenir ne peuvent être obtenues d'aucune autre manière.
Entre-temps, M. Yethiraj et son équipe de physiciens mettent à profit leurs succès pour établir des collaborations avec des scientifiques spécialisés dans la recherche sur les systèmes cellulaires. M. Yethiraj espère ainsi appliquer les connaissances acquises par ses systèmes modèles pour mieux comprendre le fonctionnement interne des cellules vivantes.
Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.
