Voir rouge : étude des composants sanguins par diffusion de neutrons

Les scientifiques ont analysé des globules rouges avec des techniques neutroniques et de rayons X pour obtenir des données d'une telle qualité qu'elles leur ont permis de définir une description théorique universelle des membranes cellulaires.

Dans chaque cellule de notre corps, une myriade de réactions chimiques a lieu, nous permettant de respirer, de bouger et de penser. Pour protéger leur intérieur, les cellules sont entourées d'une couche protectrice de molécules grasses (les membranes lipidiques). Ces membranes sont intrinsèquement complexes étant donné la diversité chimique de leurs constituants – les molécules lipidiques. Leur complexité est encore accrue par la présence additionnelle de ce que l'on appelle des protéines membranaires. Celles-ci sont notamment chargées d'assurer l'échange de petites particules soigneusement sélectionnées, telles que les ions et l'eau, entre la cellule et son environnement, ce qui est essentiel au bon fonctionnement des cellules.

Les défauts des membranes cellulaires peuvent avoir de graves conséquences. Par exemple, les globules rouges qui ne parviennent pas à adopter leur célèbre forme de disque biconcave en raison d'un défaut structurel héréditaire de leur membrane sont détruits par le système immunitaire. C'est la cause d'une maladie connue sous le nom de sphérocytose, qui peut entraîner des symptômes tels que l'essoufflement, la fatigue et un malaise général chez les personnes touchées. Afin de comprendre ces phénomènes cliniquement pertinents et d'optimiser leurs traitements, une étude détaillée des propriétés structurelles et fonctionnelles des membranes cellulaires et de leurs constituants est essentielle.

Grâce à leur nature non-invasive et à leur capacité à explorer plusieurs échelles de longueur, les méthodes de diffusion de neutrons sont d'excellents outils pour l'étude de systèmes aussi complexes. Une fois les données expérimentales obtenues, la modélisation mathématique est l'étape suivante pour obtenir une représentation détaillée des structures et des processus étudiés. Cette étape peut souvent s'avérer délicate, en particulier dans des systèmes aussi complexes que les membranes lipidiques et leurs protéines. Une collaboration étroite entre théoriciens et expérimentateurs est donc essentielle pour optimiser le processus de modélisation.

Un article qui vient d'être publié dans le Journal of Applied Crystallography décrit une telle collaboration réussie entre des scientifiques du Forschungszentrum Jülich (FZJ, Allemagne), de l'Université de Liège (Belgique) et de l'ILL. « Compte tenu de leur rôle fondamental dans le corps humain, nous avons entrepris une étude détaillée de la structure et de la dynamique des membranes des globules rouges et des protéines qu'elles contiennent », explique Andreas Stadler du FZJ, chercheur principal du projet. L'équipe a utilisé un protocole expérimental spécifique pour vider les globules rouges de leur contenu. Ils ont ainsi obtenu des membranes de globules rouges intactes et fonctionnelles, permettant des expériences précises et ciblées. Celles-ci ont été réalisées sur l'instrument de diffusion aux petits angles D22 à l'ILL, ainsi que sur le KWS-X à FRM-II à Garching (Allemagne), afin de révéler les aspects structurels des membranes. Des aperçus de la dynamique membranaire ont été obtenus grâce à des expériences sur le spectromètre d'écho de spin de neutrons IN15 à l'ILL. « Grâce à sa résolution énergétique (et donc temporelle) exceptionnellement élevée, l'écho de spin de neutrons est idéalement adapté à l'étude de la dynamique complexe des membranes biologiques », affirme Orsolya Czakkel, responsable de l'instrument IN15.

Using these results, Cédric Gommes – a physicist with the Funds for Scientific Research (FNRS, Belgium) based at the University of Liège – developed a mathematical tool which allows to obtain 3D models of any protein-membrane system from neutron and X-ray scattering data. “In our approach, the proteins are represented by cylinder-like structures intersecting with the membrane, which itself is represented by deformed sheets”, explains Gommes. “Our model can also describe proteins which pass through an arbitrarily chosen fraction of a membrane or which are partially hidden within the membrane and partially protrude into the cellular environment.”

À partir de ces résultats, Cédric Gommes – physicien du Fonds de la Recherche Scientifique (FNRS, Belgique), basé à l'Université de Liège – a développé un outil mathématique qui permet d'obtenir des modèles 3D de n'importe quel système protéine-membrane à partir des données de diffusion de neutrons et de rayons X. » « Dans notre approche, les protéines sont représentées par des structures de type cylindrique qui coupent la membrane, elle-même représentée par des feuilles déformées », explique Gommes. « Notre modèle peut également décrire des protéines qui traversent une fraction choisie arbitrairement d'une membrane, ou qui sont partiellement enchâssées dans la membrane tout en dépassant en partie à l'extérieur, dans l'environnement cellulaire.

Le modèle développé par Gommes est ainsi très adaptable et largement applicable aux complexes protéine-membrane, dont la nature regorge de nombreux exemples. Le modèle peut être facilement étendu pour décrire, par exemple, les canaux protéiques, qui jouent un rôle fondamental dans le métabolisme et la signalisation cellulaires. De plus, en optimisant les paramètres expérimentaux des techniques à résolution énergétique, comme l'écho de spin de neutrons, il est possible d'obtenir des informations détaillées sur la dynamique de la membrane et des protéines.

« Même si nous nous sommes concentrés sur les globules rouges dans ce projet, notre modèle peut être appliqué à de nombreux types de membranes cellulaires et à leurs protéines », souligne Andreas Stadler. « Cette combinaison de la théorie et de l'expérience met en évidence la puissance de ces collaborations interdisciplinaires pour produire des cadres bénéfiques pour la communauté de la diffusion et pour faire avancer la science biomédicale ».