Les neutrons révèlent des surprises sur l'action des antibiotiques naturels
Les neutrons révèlent des surprises sur l'action des antibiotiques naturels
Les peptides antimicrobiens (AMP) sont des antibiotiques naturels très efficaces contre les bactéries résistantes. Malgré leurs propriétés intéressantes, les AMP demeurent difficiles à utiliser. Une étude maintenant publiée marque une avancée remarquable dans la compréhension du fonctionnement des AMP. En tirant pleinement parti de la diffusion des neutrons et des rayons X, les chercheurs ont obtenu des résultats à la fois importants et surprenants.
1. Antibiotiques naturels
Les peptides antimicrobiens (AMPs) sont une classe d'antibiotiques naturels omniprésents au cours de l'évolution. Ils sont utilisés par les bactéries pour lutter contre d'autres bactéries et font partie du système immunitaire humain. Les AMPs sont très efficaces contre les bactéries résistantes aux antibiotiques et ont plusieurs modes d'action, encore mal connus. Malgré leurs propriétés intéressantes, les AMPs restent difficiles à utiliser, car ils présentent une certaine toxicité et ont tendance à se dégrader dans l'organisme.
"Pour pouvoir utiliser les antibiotiques AMP dans un hôpital, nous devons en réduire les effets négatifs. Si nous comprenons comment ils fonctionnent réellement, nous pourrons avoir une stratégie plus claire pour réduire ces effets", explique Reidar Lund, professeur à l'université d'Oslo (Norvège), coordinateur de l'étude qui vient d'être publiée.
2. Antibiotiques naturels et plaques sur la membrane cellulaire
Comme de nombreux médicaments, les AMPs agissent sur la membrane cellulaire. La structure de base des membranes est une double couche de lipides. Cette double couche tend à former des plaques différenciées, ou domaines, qui ne se mélangent pas facilement au reste de la membrane. Bien qu'il reste encore beaucoup à comprendre à leur sujet, on pense qu'elles sont essentielles au bon fonctionnement de la cellule. La perturbation de la structure des plaques dans les cellules humaines pourrait être liée aux maladies neurodégénératives et au cancer.
La nouvelle étude aborde la question de savoir comment la structure du domaine membranaire est affectée par les AMPs. Les résultats obtenus sont d'une grande portée :
“Nous avons fait un pas de plus dans la compréhension du fonctionnement des AMPs.”says Lund, adding:“Il s'avère que la vision selon laquelle les AMPs détruiraient les bactéries en trouant leur membrane était trop simpliste. L'effet est beaucoup plus marqué, il s'agit d'une réorganisation de la surface de la membrane.”
Les AMP ont donc des effets importants sur l'organisation des lipides dans la membrane, et donc sur la structure des domaines, et par conséquent sur le fonctionnement de la membrane.
Mais quelle est cette observation et pourquoi est-elle surprenante ?
“Nous avons découvert que les plaques se développent lorsque des AMPs sont ajoutés, ce qui est plutôt surprenant.” révèle Vladimir Rosenov Koynarev, doctorant à l'université d'Oslo et premier auteur de l'article,“Nous nous attendrions plutôt à ce qu'elles se réduisent ou même disparaissent - puisque lorsque l'on ajoute quelque chose d'amphiphile (avec une partie aimant l'eau et une partie détestant l'eau, comme les AMPs), les plaques et le reste de la membrane ont généralement plus de chances de se mélanger”.
En d'autres termes, la tension de la ligne (en rapport avec le coût énergétique du mélange) diminue. Dans le cas présent, la tension de ligne augmente, ce que les chercheurs corrèlent avec l'amincissement de la membrane dans les plaques, observé en fonction de la concentration en AMPs. Ces résultats montrent donc que la concentration à laquelle les AMPs sont efficaces est bien inférieure à la concentration pour laquelle la membrane est détruite.
Représentation schématique d'un mébrane cellulaire (double couche lipidique avec plaques) et de l'effet des AMPs.
3. Antibiotiques naturels, plaques de membrane cellulaire et techniques de diffusion
Mais qu'est-ce qui fait que les domaines membranaires sont à la fois controversés et supposés jouer un rôle majeur dans les fonctions cellulaires ?
“Il s'agit de connaissances et de recherches assez récentes,” explique Vladimir Rosenov Koynarev, “L'un des aspects délicats des plaques est qu'elles ne sont pas visibles à l'aide de techniques optiques. La surface de la membrane semble être exactement la même, son épaisseur peut changer mais seulement de quelques Angstroms.” Ainsi, les techniques de diffusion de neutrons et de rayons X, ainsi que l'utilisation de modèles de membranes artificielles, jouent un rôle crucial dans la compréhension des domaines membranaires. |
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Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé les techniques de diffusion des neutrons et des rayons X aux petits angles (SANS/SAXS) pour examiner l'intérieur des membranes artificielles à l'échelle du nanomètre (1-100 ns). Les données neutroniques ont été recueillies à l'ILL, à l'aide de l'instrument D22, et au PSI (Suisse). Les données relatives aux rayons X ont été recueillies au synchrotron européen ESRF, également à Grenoble. “Les neutrons ont permis de voir la distribution, la taille et la croissance des plaques, tandis que les rayons X ont permis de voir que l'épaisseur de la membrane change,” explique Lioner Porcar, le scientifique de l'ILL responsable de D22, ajoutant: “avec les neutrons, nous regardons le plan de la membrane, c'est une autre échelle, et nous pouvons observer l'ensemble des effets.”
“Les neutrons et les techniques de contraste ont joué un rôle clé dans cette étude.” souligne Lund, en faisant référence au fait que les atomes d'hydrogène des molécules de l'échantillon peuvent être remplacés par des atomes de deutérium à certains endroits. En tirant parti des propriétés de diffusion des neutrons très différentes des deux isotopes, il est possible d'identifier et de suivre les molécules deutérées. Dans cette étude, les échantillons ont été préparés de manière à ce que la moyenne de tous les signaux soit nulle pour les membranes dans leur état initial. Lorsque les plaques ont changé à cause de l'ajout des AMPs, un signal clair est apparu.
En ce qui concerne la complémentarité des différents ensembles de données collectés, Koynarev explique que “En général, pour analyser les données, nous réalisons des simulations informatiques basées sur des modèles, que nous comparons aux résultats des mesures expérimentales, afin de déterminer quel modèle décrit le mieux la réalité. Plus le modèle est capable de décrire de séries de données disctinctes dans des conditions expérimentales différentes, plus nous sommes convaincus qu'il est juste.”.
Le processus de révision de l'article par les pairs est décrit comme "long mais fructueux" par Lund : “La principale critique formulée à l'encontre du premier texte soumis était que nous ne connaissions pas réellement la répartition des AMPs en premier lieu. Était-elle vraiment uniforme ? Avaient-ils une préférence pour les bancs, ou bien le contraire ?” D'après les résultats obtenus au PSI, il était impossible de le savoir. Pour pouvoir répondre à cette question et publier l'article, les chercheurs ont obtenu un accès rapide au D22 à l'ILL grâce au mécanisme de proposition EASY. Le flux élevé disponible a rapidement fourni des preuves convaincantes que les AMPs s'inséraient uniformément dans toutes les régions de la membrane.
4. Et ensuite?
Outre la nouveauté et la surprise, les résultats soulèvent de nombreuses questions qui devront être abordées lors d'expériences futures. Koynarev donne quelques exemples : “Nous expliquons que les plaques grandissent en raison de l'augmentation de la tension de la ligne, ce que nous expliquons à son tour par le rétrécissement de la membrane. Mais pourquoi se rétrécit-elle ? Les plaques grandissent, mais quelle est leur composition ?” Reidar Lund et Lionel Porcar espèrent poursuivre les expériences avec D22 au plus vite, car il y a encore beaucoup de détails à explorer.
Les matériaux bio-inspirés, la résistance antimicrobienne et les porteurs de médicaments de nouvelle génération ont été reconnus par l'UE et l'ONU comme des domaines de recherche prioritaires dans l'Agenda 2030 de l'ONU pour le développement durable.
Le réseau doctoral "CLIMB - Complex lipid membranes for science and technology", récemment approuvé et financé par la Commission Européenne - auquel participent l'université d'Oslo et l'ILL - constituera un important terrain d'essai pour les techniques de diffusion dans ces domaines. Il vise à faire progresser les connaissances actuelles et à contribuer au transfert de connaissances entre le monde académique et les entreprises concernées.
Instrument ILL : D22
Reference: Vladimir Rosenov Koynarev, Kari Kristine Almåsvold Borgos, Joachim Kohlbrecher, Lionel Porcar, Josefine Eilsø Nielsen, and Reidar Lund, Antimicrobial Peptides Increase Line Tension in Raft-Forming Lipid Membranes. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (30), 20891-20903.
DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c05377
Contact ILL : Lionel Porcar