Comment les cellules contrôlent leurs frontières


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  • Les bactéries, les champignons et les levures excrètent très bien des substances utiles telles que les acides faibles. Une façon dont ils le font est par diffusion passive de molécules à travers la membrane cellulaire. Dans le même temps, les cellules doivent empêcher la fuite de nombreuses petites molécules. Les cellules de levure, par exemple, peuvent vivre dans des environnements hostiles grâce à un système membranaire très robuste et relativement imperméable. Des biochimistes de l’Université de Groningue, aux Pays-Bas, ont étudié comment la composition de la membrane affecte la diffusion passive et la robustesse de la membrane cellulaire. Leurs résultats, qui ont été publiés dans Communication Nature 25 mars, pourrait aider l’industrie biotechnologique à optimiser la production microbienne de molécules utiles et contribuer à la conception de médicaments.

    Le contrôle des frontières est très important pour les cellules. Leurs membranes séparent les milieux intérieur et extérieur, qui sont assez différents. Pour absorber des composés utiles, tels que des nutriments, ou pour excréter des déchets, les cellules peuvent utiliser des systèmes de transport sélectifs. Cependant, un certain transport à travers la membrane a lieu par diffusion passive. Il s’agit d’un processus non sélectif qui laissera entrer ou sortir certaines molécules, en fonction de leur taille et de leur hydrophobicité par exemple. Les transporteurs actifs ont été largement étudiés ; cependant, notre connaissance de la diffusion passive à travers la membrane est encore très incomplète.

    Vésicules synthétiques

    C’est un problème pour l’industrie de la biotechnologie, qui utilise des cellules comme usines pour produire une myriade de substances utiles et qui a besoin de ces cellules ouvrières pour survivre dans des conditions difficiles, par exemple dans un environnement à forte concentration d’alcool ou d’acide faible. Bert Poolman, professeur de biochimie à l’Université de Groningue, a été approché par une société de biotechnologie qui s’intéressait à la production d’acide lactique dans des bactéries. Ils voulaient en savoir plus sur la diffusion passive. Cela correspondait bien à un autre projet sur lequel Poolman travaille. «Nous sommes très intéressés par ces processus de transport passif en raison de notre implication dans un projet de construction d’une cellule synthétique», déclare Poolman. « Si vous pouvez utiliser la diffusion passive au lieu d’un système de transport actif, vous avez besoin de moins de pièces pour construire une telle cellule. »

    Ainsi, il a combiné les deux questions dans un projet de recherche. «Nous avons commencé par une étude systématique des causes des différences de perméabilité des membranes de levure et des membranes bactériennes», explique Poolman. Son équipe a créé des vésicules synthétiques composées de trois à quatre lipides différents. De l’ergostérol ou du cholestérol a été ajouté aux membranes pour affecter leur fluidité et leur rigidité. Une gamme de petites molécules a été testée à l’aide de ce système et les résultats de ces expériences ont guidé des simulations de dynamique moléculaire de la diffusion à travers les membranes. le in silico des études, supervisées par le professeur Siewert-Jan Marrink, ont permis de mieux comprendre le mécanisme moléculaire de la diffusion.

    Peaufiner

    Les queues d’acides gras des lipides se sont avérées les plus importantes pour déterminer les propriétés des membranes, alors que les groupes de tête hydrophiles avaient peu d’effet sur la perméabilité. La longueur des queues comptait également. «Et les queues saturées, sans doubles liaisons carbone, sont plus rigides que les queues insaturées. Les interactions hydrophobes provoquent un tassement serré de ces queues, ce qui donne une phase de gel qui n’est pas très pénétrable», explique Poolman. Les stérols augmentent la fluidité mais dans le cas de la levure, qui utilise l’ergostérol, la perméabilité reste faible. « Ainsi, en ajustant la saturation des acides gras et le type et la quantité de stérol dans la membrane, nous pouvons modifier la perméabilité de la membrane plasmique des levures et des cellules bactériennes. »

    Poolman et ses collègues ont donc défini un certain nombre de variables qui modifient la perméabilité des membranes pour différentes classes de composés. Ces informations peuvent être utilisées par les entreprises qui utilisent des levures ou des bactéries comme usines cellulaires. «Cependant, nos résultats ne peuvent pas être directement appliqués à ces cellules», prévient Poolman. «Les vraies membranes contiennent des centaines de lipides différents et la composition peut varier d’un endroit à l’autre de la membrane. De plus, ces membranes cellulaires contiennent toutes sortes de protéines. Si vous modifiez, par exemple, la composition lipidique de la membrane, beaucoup de choses peuvent mal tourner et la fonction d’une protéine membranaire peut être affectée.

    Conception de médicaments

    La meilleure compréhension des processus physiques qui affectent la perméabilité peut aider les entreprises à comprendre pourquoi certaines cellules sont meilleures pour des processus spécifiques que d’autres. «La manière habituelle d’ajuster les souches est par évolution dirigée. Nos résultats aideront les entreprises à mieux comprendre les résultats de ces optimisations et à guider leurs efforts d’ingénierie cellulaire.

    Une autre application est la conception de médicaments qui agissent à l’intérieur des cellules. «Les sociétés pharmaceutiques utilisent un ensemble de règles établies de manière empirique pour optimiser l’action des médicaments à l’intérieur des cellules, en fonction de paramètres tels que la taille ou la polarité. Notre étude met en évidence l’importance de la composition membranaire des cellules ciblées et cela pourrait aider à la conception de médicaments.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Groningue. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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