Les neutrons au cœur de la recherche sur les antibiotiques : explorer les membranes cellulaires grâce aux faisceaux de neutrons

Les bactéries pourraient bientôt devenir la principale menace pandémique, surpassant les virus. Dans notre arsenal d'antibiotiques qui s'amenuise. La polymyxine B, antibiotique de dernier recours, cible la membrane externe bactérienne mais présente des effets secondaires. Une étude récemment publiée a rassemblé l'expertise de différentes installations de recherche neutronique pour examiner ce processus à l'échelle moléculaire en utilisant la diffusion neutronique sur des modèles de membranes bactériennes. Ce travail a également été mis en avant en tant qu'image de couverture du numéro de la revue.

Les bactéries se divisent en deux grandes catégories : les bactéries à Gram positif et celles à  Gram négatif. Une distinction majeure réside dans la présence d'une membrane externe imperméable supplémentaire chez les bactéries à Gram négatif. Cette barrière biologique unique les protège des antibiotiques, faisant des bactéries à Gram négatives une préoccupation particulière. La membrane externe diffère des membranes cellulaires typiques, constituées de doubles couches de molécules lipidiques (bicouches phospholipidiques) : elle est composée de phospholipides sur sa couche interne et de grandes molécules appelées lipopolysaccharides (LPS) sur sa surface externe. Les molécules de LPS forment une barrière imperméable à de nombreux antibiotiques. La polymyxine B peut franchir la membrane externe en déstabilisant les interactions entre les LPS, entraînant des dommages irréparables et la mort cellulaire. Mais comment cela fonctionne-t-il ?

Les membranes cellulaires ont une épaisseur d'environ cinq nanomètres, ce qui rend leur étude détaillée à l'échelle atomique extrêmement difficile. La réflectométrie neutronique offre une solution pour mesurer la structure de ces couches ultra-minces. La mécanique quantique nous enseigne que les neutrons se comportent à la fois comme des particules et  des ondes. Ils sont ainsi capables de créer des figures d'interférence lors de leur réflexion sur des films minces. "C'est un effet similaire aux couleurs observées dans les bulles de savon, mais à l'échelle du nanomètre", explique Nicoló Paracini, premier auteur de la publication et ancien doctorant à ISIS et responsable d'instrument à l'ILL. "Les neutrons dits "froids", avec des longueurs d'onde comparables aux rayons X (dans la gamme des angströms), ils sont parfaitement adaptés à l'étude des membranes biologiques. Les neutrons froids ne transportent que quelques meV d'énergie cinétique, contrairement aux rayons X qui en transportent plusieurs keV, ce qui évite d'endommager la membrane pendant la mesure.