Des neutroniciens ont découvert pour la première fois comment les protéines "antigel" dans le sang des poissons de l'Arctique agissaient pour leur permettre de rester en vie à des températures négatives.  Les résultats pourraient se révéler bénéfiques dans des domaines aussi divers que la cryogénie, l'industrie alimentaire  et l'agriculture.

Les protéines biologiques antigel (PAG) ont des propriétés inhabituelles à plusieurs égards.  Elles mettent les organismes à l'abri des effets mortels du gel en se liant aux germes des cristaux de glace dès qu'ils commencent à se former, empêchant ainsi la croissance de ces cristaux.  Cependant, les PAG ne doivent pas se lier à de l'eau liquide – sinon, l'organisme se déshydraterait et mourrait.
De nouvelles recherches utilisant les neutrons ont fourni les premières données expérimentales qui montrent comment les PAG de type-III, que l'on trouve dans le sang des poissons de l'Arctique, reconnaissent les germes des cristaux de glace. L'expérience réalisée a montré que des régions hydrophobes inhabituelles à la surface de la protéine s'intégraient dans des "trous" de la structure du germe du cristal de glace.

“Les PAG sont des protéines inhabituelles qui font un travail difficile.  Nous voulions comprendre comment elles pouvaient travailler dans un environnement aqueux comme le sang mais n'interagir  avec les molécules d'H₂O que lorsque celles-ci commençaient à geler. La diffusion neutronique nous a fourni des informations essentielles sur le processus.  Nous avons découvert  que la clé se trouvait dans la manière dont la structure des PAG se différenciait des protéines typiques et comment la structure de la glace se comparait à celle de l'eau liquide" déclare Matthew Blakeley, scientifique à l'ILL.   
Les protéines biologiques ont habituellement des acides aminés hydrophobes dans le noyau (à l'écart des molécules d'eau dans le solvant) et des acides aminés  hydrophiles à la surface. De manière inhabituelle, les PAG ont de nombreux acides aminés hydrophobes  à la surface.  Ils forment une partie de la surface de liaison spéciale qui ne se fixe qu'au germe de glace, c'est-à-dire à de l'H₂O solide mais pas à l'H₂O liquide. Il existe un certain nombre de théories sur  la manière dont cela fonctionne mais, jusqu'à présent, aucune observation expérimentale du mécanisme moléculaire n'avait pu être faite étant donné que l'hydrogène est presque "invisible" pour la plupart des techniques d'imagerie.  

Les neutrons, eux, "voient" très bien l'hydrogène. La diffusion neutronique était donc l'unique moyen qui nous permettait de localiser les positions des molécules d'H2O à la surface de liaison de la protéine.  Nous avons identifié un cluster tétraédrique des eaux "de type glace" à la surface de liaison. Ce cluster reproduit l'arrangement des molécules d'eau dans la glace, nous avons donc reproduit ces positions comme point de départ pour former le reste du cristal de glace et modéliser l'interaction glace/PAG" explique Alberto Podjarny, de l'IGBMC de Strasbourg, qui a mené la recherche neutronique.

“Le modèle de glace est composé de six anneaux de quatre molécules d' H2O, qui laissent un espace, ou trou, dans le centre. Les régions  hydrophobes des PAG de  type-III  s'intègrent dans ces trous et se lient à la surface de la glace.  Ce sont ces "trous" qui distinguent la structure des germes des cristaux de glace, et qui expliquent comment les PAG peuvent être présents dans un solvant sans s'attacher aux molécules d'eau avant qu'elles ne commencent à geler.  ” déclare Eduardo Howard de l'IFLYSIB ( Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos) en Argentine. “Cette connaissance a des implications importantes pour les applications biomédicales comme la cryochirurgie et la préservation des tissus".

Il existe de nombreuses applications commerciales pour les protéines antigel, par exemple en :

• médecine – amélioration de la cryochirurgie ; meilleure préservation des tissus pour les transplantations ou les transfusions
• industrie et production alimentaires – prolongation du temps de conservation des aliments congelés
  Unilever utilise les PAG pour améliorer la consistance et le stockage de la crème glacée.
• Agri- et aquaculture – Augmentation de la tolérance au gel des plantes de culture ; amélioration de la production de poissons d'élevage ; prolongation de la saison des récoltes dans les climats plus froids.

Il était essentiel de comprendre le mécanisme de reconnaissance décrit ici. La prochaine étape consiste maintenant à rechercher comment la PAG empêche le germe des cristaux de glace de croître en cristaux. 

Re.:    Journal of Molecular recognition, 7 April 2011

Contact: James Romero +44 845 680 1866

Notes aux éditeurs

•    Les PAG de type-III se trouvent en forte concentration dans le sang des poissons de l'Arctique : la température de l'eau de mer environnante est d'environ -1°C (l'eau salée gèle à environ -1,5°C)
•    Le sang des poissons est moins salé avec une température de congélation d'environ -0,5°C
Pour ne pas geler et mourir, le poisson doit éviter que des cristaux de glace ne se forment dans son sang.

1.    Interaction inhabituelle protéine-molécule– La présence d'acides aminés  hydrophobes à la surface explique une autre  particularité de la PAG : la force de liaison qui gouverne son interaction avec le germe de la glace. Les recherches ont montré que des attractions Van der Waals (forces attractives/répulsives entre des molécules) sont la force gouvernante qui détermine cette interaction. Les interactions protéine-molécule sont normalement gouvernées par des liaisons d'hydrogène. Cependant, dans le cas présent, il semble logique que les liaisons d'hydrogène ne soient pas les interactions principales car, si c'était le cas, la protéine se lierait également à l'eau liquide.

2. Ces travaux n'auraient pas été possibles sans le haut flux de neutrons du diffractomètre LADI-III, et sans les cristaux perdeutérés fournis par le laboratoire de deutération.

3.    L' IGBMC – L'Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire est l'un des tout premiers centres de recherche européens en biomédecine.   L'IGBMC est une entreprise commune du CNRS, de l'INSERM, et de l'Université de Strasbourg.

.    L' IFLYSIB – L'Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (l'Institut de Physique des Fluides et des Systèmes Biologiques) étudie la structure, la fonction et les propriétés de l'eau et les phénomènes de transport dans les systèmes biologiques, les relations structure-fonction dans les biomolécules.