À l'intérieur du canal protéique qui maintient les bactéries en vie

Le canal proteique MSCS (rose) avec ses lipides associés (vert foncé, vert clair, rouge) intégrés dans un nanodisque (gris). Crédit : Laboratoire de microscopie électronique moléculaire de la Rockefeller University.

«À l'intérieur du canal protéique qui maintient les bactéries en vie», source The Rockefeller University.

Presque toutes les bactéries dépendent des mêmes valves d'urgence, des canaux protéiques qui s'ouvrent sous la pression, libérant un déluge de contenu cellulaire. C'est un effort ultime, une sécurité intégrée qui empêche les bactéries d'exploser et de mourir lorsqu'elles sont étirées à la limite. Si nous comprenions le fonctionnement de ces canaux protéiques, les antibiotiques pourraient être conçus pour les ouvrir à la demande, drainant une bactérie de ses nutriments en exploitant une vanne commune à de nombreuses espèces.

Mais ces canaux sont difficiles à exploiter en laboratoire. Et la précision avec laquelle ils s'ouvrent et se ferment, passant par un état sous-conducteur et se terminant dans un état désensibilisé sous l'influence de forces mécaniques, reste mal comprise. Désormais, une nouvelle étude du laboratoire de Thomas Walz de la Rockefeller University introduit une nouvelle méthode pour activer et visualiser ces canaux, permettant d'expliquer leur fonction. Les résultats mettent en lumière les principales protéines membranaires des bactéries, et la même méthode peut être utilisée pour améliorer notre compréhension de canaux similaires chez l'homme.

«Nous avons en fait pu voir le cycle entier du canal protéique passer par une série d'étapes fonctionnelles», explique Walz.

Walz s'est longtemps concentré sur MscS, une protéine intégrée dans les membranes bactériennes qui s'ouvre en réponse à la force mécanique. Les protéines MscS existent à l'état fermé tout en reposant dans une membrane épaisse. Les scientifiques soupçonnaient autrefois que, lorsque l'accumulation de liquide fait gonfler la cellule et met sous tension la membrane, elle s'étire si mince que ses protéines font saillie. Poussés dans un environnement inconnu, les canaux protéiques s'ouvrent, libérant le contenu de la cellule et soulageant la pression jusqu'à ce que la membrane revienne à son épaisseur d'origine et que ses canaux se ferment.

Mais lorsque Yixiao Zhang, un associé en postdoc du groupe de Walz, a testé cette théorie il y a plus de cinq ans, reconstituant les protéines MscS dans de petits patchs membranaires conçus sur mesure, il a découvert qu'il était impossible de creuser le canal ouvert en amincissant les membranes à l'état naturel. «Nous avons réalisé que l'amincissement de la membrane n'est pas la façon dont ces canaux s'ouvrent», dit Walz.

Ces patchs personnalisés, appelés nanodisques, permettent aux chercheurs d'étudier des protéines dans un environnement membranaire essentiellement natif et de les visualiser par cryo-microscopie électronique. Walz et Zhang ont décidé de repousser les limites de la technologie des nanodisques, en éliminant les lipides membranaires avec la β-cyclodextrine, un produit chimique utilisé pour exciser le cholestérol des cultures cellulaires. Cela a induit une tension dans la membrane, et Walz et son équipe ont pu observer avec la microscopie cryoélectronique alors que le canal réagissait en conséquence - finissant par se fermer pour de bon, un phénomène connu sous le nom de désensibilisation.

Ce qu'ils ont observé correspondait à des simulations informatiques, et un nouveau modèle pour la fonction de MscS a émergé. Lorsque le liquide s'accumule à l'intérieur de la cellule, ils ont découvert que les lipides sont appelés de tous les coins pour aider à soulager la tension dans toute la membrane. Si la situation devient désastreuse, même les lipides associés aux canaux MscS fuient. Sans que les lipides ne les maintiennent fermés, les canaux ont suffisamment d'espace pour s'ouvrir.

«Nous avons pu voir que, lorsque vous exposez les membranes à la β-cyclodextrine, les canaux s'ouvrent puis se referment», explique Walz.

La nouvelle méthode de Walz et Zhang de manipulation de nanodisques avec de la β-cyclodextrine permettra aux chercheurs qui étudient des dizaines de canaux protéiques mécanosensibles similaires de tester enfin leurs hypothèses en laboratoire. Beaucoup de ces protéines jouent un rôle clé chez l'homme, de l'audition et du toucher à la régulation de la pression artérielle. D'un intérêt plus immédiat, cependant, est la perspective d'exploiter les canaux protéiques sur lesquels de nombreuses bactéries différentes dépendent pour survivre. Les nouvelles cibles médicamenteuses sont une nécessité particulière, étant donné la prolifération de bactéries dangereuses résistantes aux antibiotiques telles que le SARM.

MscS et le canal protéique bactérien associé MscL sont des «cibles médicamenteuses extrêmement intéressantes», dit Walz. «Presque chaque bactérie possède une de ces protéines. Parce que ces canaux sont si largement distribués, un médicament qui cible le MscS ou le MscL pourrait devenir un antibiotique à large spectre.»