Des molécules invisibles révèlent la vérité : les cellules ne sont jamais à l'équilibre

Les membranes lipidiques entourant les cellules humaines sont connues pour être asymétriques en termes de composition moléculaire. Cependant, la localisation du cholestérol au sein de ces membranes a été difficile à identifier jusqu'à récemment. Grâce à la diffusion neutronique et à la deutération sélective, les scientifiques ont pu relever ce défi et fournir des informations approfondies sur la complexité des membranes biologiques. Cette connaissance peut aider à concevoir des membranes artificielles pour la délivrance de médicaments et faciliter la manipulation de protéines complexes.

Le corps humain est composé de 30 000 milliards de cellules, un chiffre à couper le souffle. Afin de protéger les processus métaboliques complexes qui se déroulent dans chacune d'elles, les cellules sont entourées de deux couches composées de diverses molécules contenant des acides gras (également appelées "membrane lipidique bicouche"). Alors qu'une de ces couches fait face à l'intérieur des cellules, l'autre est exposée à l'extérieur. Les couches sont asymétriques : certaines des molécules grasses se trouvent préférentiellement dans la bicouche interne et d'autres se trouvent principalement dans la bicouche externe.

Cette asymétrie est hautement pertinente d'un point de vue physiologique : la présence de certains lipides dans la couche externe joue un rôle crucial dans des processus tels que la coagulation sanguine et les réponses immunitaires. Dans le corps humain, l'asymétrie est activement maintenue par des protéines biologiquement actives (enzymes) et par le mouvement passif des lipides au sein des couches lipidiques. Bien que le concept d'asymétrie membranaire soit connu depuis des décennies, la localisation d'un certain lipide - le cholestérol, un déterminant essentiel de la fluidité de la membrane cellulaire - a été plus difficile à évaluer.

Cette question a été abordée par des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago, de l'Université du Wisconsin à Madison et de l'ILL. L'équipe a produit de petites assemblées sphériques de bicouches lipidiques ("vésicules") souvent utilisées pour imiter les cellules vivantes. Dans une première étape, les scientifiques ont étudié des vésicules constituées d'un gras insaturé et de cholestérol par résonance magnétique nucléaire (RMN), ils ont observé une distribution uniforme (symétrique) du cholestérol entre les deux bicouches. Lorsque l'on a ajouté un gras saturé au mélange, l'équipe a constaté qu'une majorité écrasante - 90 % - du cholestérol se trouvait dans le feuillet interne. De plus, ils ont montré que les lipides saturés et insaturés se distribuaient inégalement entre les deux feuillets, les lipides saturés occupant préférentiellement le même feuillet que le cholestérol.

Ce résultat surprenant a été étudié plus précisement par diffusion neutronique aux petits angles (SANS) sur l'instrument D22 de l'ILL. "En SANS, nous dirigeons un faisceau de neutrons sur nos échantillons et détectons la manière dont les neutrons sont diffusés en fonction de l'angle de diffusion", explique Lionel Porcar, responsable de l'instrument D22 et contact local de l'ILL pour cette étude. "La diffusion dépendant de l'angle nous fournit des informations sur la structure et les propriétés moléculaires des échantillons."

Afin d'étudier sélectivement la localisation des différents lipides dans les vésicules, l'équipe s'est appuyée sur une technique sophistiquée : la deutération sélective des molécules impliquées. "En échangeant certains atomes d'hydrogène de nos lipides par du deutérium, son isotope plus lourd, nous pouvons les rendre plus ou moins visibles aux neutrons", explique Krishna C. Batchu, l'un des experts en deutération de l'ILL. "Ici, cette technique nous a permis de mettre en évidence le cholestérol tout en rendant les autres molécules grasses invisibles (et vice versa), identifiant ainsi leur emplacement exact." La diffusion neutronique aux petits angles (SANS) a confirmé l'asymétrie du cholestérol en présence de lipides saturés. De plus, en combinaison avec la RMN, une quantification détaillée du partitionnement de certaines molécules lipidiques a été possible.

"La partie passionnante de notre travail est que nous avons révélé un partitionnement asymétrique des lipides à des températures physiologiques, alors que nous nous attendions à ce que tous les composants soient symétriques à travers la membrane. Auparavant, on pensait que le transport actif des lipides par les protéines était le seul mécanisme responsable de cet arrangement asymétrique", explique Ursula Perez-Salas, l'auteure de la publication. "Nous avons également montré que le temps de diffusion passive du cholestérol entre les feuillets membranaires est plus lent que ce qui avait été trouvé par des simulations atomiques détaillées d'au moins deux ordres de grandeur. Nos résultats contredisent les hypothèses de travail actuelles dans le domaine de la recherche lipidique, ce qui pourrait conduire à une révision de certaines notions."

(Texte rédigé en anglais par Olga Matsarskaia)

Cette étude souligne la puissance unique des neutrons et de la deutération sélective dans l'étude de processus biologiques complexes et l'importance de ces techniques pour faire progresser la science biomédicale. En particulier, les résultats présentés ici permettront de concevoir des membranes avec des asymétries lipidiques spécifiques qui peuvent être utiles pour l'encapsulation de médicaments. De telles membranes peuvent également être utiles dans la manipulation de protéines membranaires avec des domaines asymétriques.

"La suite d'instruments diversifiée et de pointe de l'ILL et l'excellente combinaison sur site de la science des neutrons et de l'expertise en deutération en font un environnement fantastique pour de telles expériences complexes", déclare Ursula Perez-Salas, l'auteure  de l'étude. "Malgré la grande distance, notre collaboration transatlantique de longue date nous est très précieuse."

* Les lipides insaturés contiennent au moins une double liaison entre des atomes de carbone voisins ; les lipides saturés ne contiennent pas de double liaison.