Comment les protéines sont incorporées dans une membrane cellulaire

Près d'un tiers de toutes les protéines des êtres vivants sont coincées dans une biomembrane - soit dans la membrane externe d'une cellule, soit dans les délimitations des compartiments internes de la cellule. Ces protéines membranaires y assument des t?ches importantes, par exemple en tant que sas moléculaires transportant des produits métaboliques et des nutriments à travers la membrane, ou en tant que protéines de détection pour appréhender l'environnement cellulaire.

Des chercheurs dirigés par Daniel J. Müller, professeur au Département des systèmes biologiques de l'ETH Zurich à B?le, se sont penchés sur la manière dont les protéines membranaires pénètrent dans les membranes. Pour ce faire, ils ont utilisé une méthode de haute précision qui leur permet d'extraire des protéines individuelles des membranes ou de les déposer sur les membranes. Cette méthode, appelée spectroscopie de force à molécule unique, permet de diriger avec précision un ressort à lame de quelques nanomètres d'épaisseur, commandé par ordinateur, vers un endroit de la surface d'une membrane. Des forces d'adhésion moléculaires font en sorte qu'une protéine située à cet endroit adhère au ressort.

R?le de deux protéines auxiliaires

Lors d'expériences avec des protéines bactériennes, les chercheurs ont pu élucider le r?le de deux protéines auxiliaires qui permettent aux protéines membranaires de s'insérer dans la membrane : une protéine appelée insertase et une translocase. La première est une protéine, la seconde un complexe de plusieurs protéines. Toutes deux font en sorte qu'un pore s'ouvre dans la membrane. "Dans le cas de l'insertase, on peut se représenter ce pore comme un toboggan. La protéine membranaire se présente d'abord sous la forme d'un filament peptidique non structuré qui glisse dans la membrane sur ce toboggan. Dans la membrane, ce filament peptidique s'organise ensuite en sa forme tridimensionnelle fonctionnelle", explique le professeur Müller de l'ETH. "Lorsque la protéine membranaire a finalement réussi à prendre une forme tridimensionnelle et à s'ancrer dans la membrane, la protéine auxiliaire se détache et forme un toboggan pour la protéine suivante à un autre endroit de la membrane".

Jusqu'à présent, le fonctionnement de ces protéines auxiliaires n'a été étudié que de manière imprécise et uniquement avec de très petits fragments de protéines ou en dehors des biomembranes. "Nous avons maintenant observé et décrit pour la première fois, étape par étape, comment une protéine entière s'insère dans une membrane et la forme en trois dimensions", explique Tetiana Serdiuk, postdoctorante dans le groupe du professeur Müller de l'ETH et première auteure de l'étude.

Les chercheurs de l'ETH ont également pu mettre en évidence les différents modes de fonctionnement des insertases et des translocases : Les insertases insèrent des filaments peptidiques dans la membrane relativement rapidement, mais de manière non coordonnée. "Elles font donc particulièrement bien leur travail avec les petites protéines", explique Müller. Les translocases, en revanche, insèrent les filaments peptidiques section par section dans la membrane et sont donc mieux adaptées aux protéines plus complexes.

Central pour la médecine

Cette étude est une recherche fondamentale classique, particulièrement importante compte tenu de l'importance des protéines membranaires pour la médecine, comme le souligne Müller : "Environ la moitié de tous les médicaments agissent sur les protéines membranaires, et nous devons comprendre comment ces protéines membranaires se forment et comment elles fonctionnent."

Par ailleurs, la spectroscopie de force à molécule unique, que les scientifiques de l'ETH ont développée pour cette étude, pourrait être utilisée dans des applications supplémentaires : Dans le cadre du P?le de recherche national "Molecular Systems Engineering", Müller et d'autres scientifiques travaillent au développement de cellules biologiques artificielles. "Cette méthode pourrait être utilisée pour équiper les enveloppes membranaires de protéines sur mesure et ainsi les 'programmer'", explique le professeur de l'ETH. "De telles cellules artificielles pourraient un jour être utilisées comme des usines moléculaires pour la production industrielle de substances médicales actives".