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"L’électricité intercellulaire, inconnue jusqu’à présent, pourrait alimenter la biologie : la découverte de cette nouvelle activité électrique pourrait modifier la façon dont on envisage la chimie biologique" par Université Duke

Traduction & Compléments par Jacques Hallard

mercredi 10 mai 2023, par Université Duke

ISIAS Biologie Electricité intracellulaire Condensats biologiques

L’électricité intercellulaire, inconnue jusqu’à présent, pourrait alimenter la biologie : la découverte de cette nouvelle activité électrique pourrait modifier la façon dont on envisage la chimie biologique

Traduction du 09 mai 2023 – avec ajout d’une annexe sur les condensats biologiques - par Jacques Hallard d’un article en date du 28/04/2023 diffusé par ‘sciencedaily.com’ sous le titre « Previously unknown intercellular electricity may power biology »  ; référence : https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230428153615.htm

Origine de l’information : Duke University – [Université Duke (Duke University) - Université de recherche à Durham, Caroline du Nord - L’université Duke est une université de recherche privée nord-américaine, située à Durham. L’université est nommée d’après la dynastie Duke. Bien que l’université ne fût officiellement fondée qu’en 1924, elle est classée 20ᵉ au classement mondial THES - QS World University Ranking de 2021. Wikipédia - Adresse : Durham, NC 27708, États-Unis ]

Résumé :

Des chercheurs ont découvert que les champs électriques et l’activité qui existent à travers la membrane d’une cellule, se retrouvent également à l’intérieur et autour d’un autre type de structure cellulaire appelé condensats biologiques. Comme les gouttelettes d’huile flottant dans l’eau, ces structures existent en raison des différences de densité. Leur découverte fondamentale pourrait changer la façon dont les chercheurs envisagent la chimie biologique. Cela pourrait également fournir un indice sur la façon dont la première vie sur Terre a exploité l’énergie nécessaire à son apparition.

Texte complet

Le corps humain dépend fortement des charges électriques. Des impulsions d’énergie ressemblant à la foudre traversent le cerveau et les nerfs et la plupart des processus biologiques dépendent des ions électriques qui traversent les membranes de chaque cellule de notre corps.

[Addenda - Charge électrique - La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui lui permet d’interagir par le biais de champs électromagnétiques. Il s’agit d’une grandeur scalaire, qui joue pour l’interaction électromagnétique le même rôle que la masse pour l’interaction gravitationnelle. Wikipédia ]

Suite de l’article traduit

Ces signaux électriques sont possibles, en partie, en raison d’un déséquilibre des charges électriques qui existe de part et d’autre d’une membrane cellulaire. Jusqu’à récemment, les chercheurs pensaient que la membrane était un élément essentiel pour créer ce déséquilibre. Mais cette idée a été renversée lorsque des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert que des charges électriques déséquilibrées similaires peuvent exister entre des microgouttelettes d’eau et d’air.

Maintenant, des chercheurs de l’Université Duke ont découvert que ces types de champs électriques existent également dans et autour d’un autre type de structure cellulaire appelée condensats biologiques. Comme les gouttelettes d’huile flottant dans l’eau, ces structures existent en raison des différences de densité. Ils forment des compartiments à l’intérieur de la cellule sans avoir besoin de la limite physique d’une membrane.

Inspirés par des recherches antérieures démontrant que les microgouttelettes d’eau interagissant avec l’air ou les surfaces solides créent de minuscules déséquilibres électriques, les chercheurs ont décidé de voir s’il en allait de même pour les petits condensats biologiques. Ils voulaient également voir si ces déséquilibres provoquaient des réactions réactives de l’oxygène, ’redox’, comme ces autres systèmes.

[Addenda - Les dérivés réactifs de l’oxygène (DRO) ou espèces réactives de l’oxygène (ERO), en anglais : reactive oxygen species ou ROS, sont des espèces chimiques oxygénées telles que des radicaux libres, des ions oxygénés et des peroxydes, rendus chimiquement très réactifs par la présence d’électrons de valence non appariés…]

Suite de l’article traduit

Parue le 28 avril 2023 dans la revue ‘Chem’, leur découverte fondamentale pourrait changer la façon dont les chercheurs envisagent la chimie biologique. Cela pourrait également fournir un indice sur la façon dont la première vie sur Terre a exploité l’énergie nécessaire à son apparition.

’Dans un environnement pré-biotique sans enzymes pour catalyser les réactions, d’où viendrait l’énergie ? ’ a demandé Yifan Dai, chercheur postdoctoral Duke travaillant dans le laboratoire d’Ashutosh Chilkoti, Professeur émérite de Génie biomédical Alan L. Kaganov et Lingchong You, Professeur émérite de Génie biomédical James L. Meriam.

’Cette découverte fournit une explication plausible de l’origine de l’énergie de réaction, tout comme l’énergie potentielle transmise à une charge ponctuelle placée dans un champ électrique’, a déclaré Dai.

Lorsque des charges électriques sautent entre un matériau et un autre, elles peuvent produire des fragments moléculaires qui peuvent s’apparier et former des radicaux hydroxyles, qui ont la formule chimique OH. Ceux-ci peuvent ensuite se coupler à nouveau pour former du peroxyde d’hydrogène (H2O2) en quantités infimes mais détectables.

’Mais les interfaces ont rarement été étudiées dans des régimes biologiques autres que la membrane cellulaire, qui est l’une des parties les plus essentielles de la biologie’, a déclaré Dai. ’Nous nous demandions donc ce qui pouvait se passer à l’interface des condensats biologiques, c’est-à-dire s’il s’agissait également d’un système asymétrique.’

[Addenda - Membrane plasmique - La membrane plasmique, également appelée membrane cellulaire, membrane cytoplasmique, voire plasmalemme, est une membrane biologique séparant l’intérieur d’une cellule, appelé cytoplasme, de son environnement extérieur, c’est-à-dire du milieu extracellulaire… Wikipédia ]

https://lh3.googleusercontent.com/dvlfU2F_V81it28UaKRuWg7bZtHJxOL56t6heg_ayNIlY3T54edWofcsH4DW7YUiYriBwp_WpplzxZg47mreu6WlilUiN8gslfzN39kS<>>

[Les Membranes Biologiques (Cytoplasmiques) Structure et Fonction - world of biology - 26 févr. 2017 Cell Biology – Vidéo 54 minutes – Source : https://www.youtube.com/watch?v=JtoDQTb_P1s

Biologie Cellulaire : les Membranes Biologiques (Cytoplasmique) structure et fonction Les composants-clé de la membrane biologique sont les phospholipides. Ils ont la capacité de s’auto-organiser en un double feuillet, leurs têtes hydrophiles pointant vers l’extérieur et leurs chaînes hydrophobes pointant vers l’intérieur de la membrane.

Suite de l’article traduit

Les cellules peuvent construire des condensats biologiques pour séparer ou piéger certaines protéines et molécules, entravant ou favorisant leur activité. Les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment fonctionnent les condensats et à quoi ils pourraient servir.

Parce que le laboratoire Chilkoti se spécialise dans la création de versions synthétiques de condensats biologiques naturels, les chercheurs ont facilement pu créer un banc d’essai pour leur théorie. Après avoir combiné la bonne formule de blocs de construction pour créer de minuscules condensats, avec l’aide du chercheur postdoctoral Marco Messina du groupe de Christopher J. Chang à l’Université de Californie-Berkeley, ils ont ajouté un colorant au système qui brille en présence d’espèces réactives de l’oxygène.

Leur intuition était juste. Lorsque les conditions environnementales étaient bonnes, une lueur solide a commencé à partir des bords des condensats, confirmant qu’un phénomène auparavant inconnu était à l’œuvre. Dai s’est ensuite entretenu avec Richard Zare, professeur de chimie Marguerite Blake Wilbur à Stanford, dont le groupe a établi le comportement électrique des gouttelettes d’eau. Zare était ravi d’entendre parler du nouveau comportement des systèmes biologiques et a commencé à travailler avec le groupe sur le mécanisme sous-jacent.

’Inspirés par des travaux antérieurs sur les gouttelettes d’eau, mon étudiant diplômé, Christian Chamberlayne, et moi avons pensé que les mêmes principes physiques pourraient s’appliquer et promouvoir la chimie redox, comme la formation de molécules de peroxyde d’hydrogène’, a déclaré Zare. ’Ces résultats suggèrent pourquoi les condensats sont si importants dans le fonctionnement des cellules.’

’La plupart des travaux antérieurs sur les condensats biomoléculaires se sont concentrés sur leurs entrailles’, a déclaré Chilkoti. ’La découverte de Yifan selon laquelle les condensats biomoléculaires semblent être universellement redox-actifs suggère que les condensats n’ont pas simplement évolué pour remplir des fonctions biologiques spécifiques comme cela est communément compris, mais qu’ils sont également dotés d’une fonction chimique critique essentielle aux cellules.’

Bien que les implications biologiques de cette réaction en cours dans nos cellules ne soient pas connues, Dai indique un exemple pré-biotique de la puissance de ses effets. Les centrales électriques de nos cellules, appelées mitochondries, créent de l’énergie pour toutes les fonctions de notre vie grâce au même processus chimique de base. Mais avant que les mitochondries ou même les cellules les plus simples n’existent, quelque chose devait fournir de l’énergie pour que les toutes premières fonctions de la vie commencent à fonctionner.

Les chercheurs ont proposé que l’énergie était fournie par des évents thermiques dans les océans ou des sources chaudes. D’autres ont suggéré que cette même réaction redox qui se produit dans les microgouttelettes d’eau a été créée par la pulvérisation des vagues océaniques.

Mais pourquoi pas des condensats à la place ?

’La magie peut se produire lorsque les substances deviennent minuscules et que le volume inter-facial devient énorme par rapport à son volume’, a déclaré Dai. ’Je pense que les implications sont importantes pour de nombreux domaines différents.’

Ce travail a été soutenu par le Bureau de la Recherche Scientifique de l’Armée de l’Air (FA9550-20-1-0241, FA9550-21-1-0170) et les Instituts nationaux de la Santé (MIRA R35GM127042 ; R01EB029466, R01 GM 79465, R01 GM 139245, R01 ES 28096).

Origine du matériel : Materials provided by Duke University. Original written by Ken Kingery. Note : Content may be edited for style and length.

Référence de la revue : Yifan Dai, Christian F. Chamberlayne, Marco S. Messina, Christopher J. Chang, Richard N. Zare, Lingchong You, Ashutosh Chilkoti. Interface of biomolecular condensates modulates redox reactions. Chem, 2023 ; DOI : 10.1016/j.chempr.2023.04.001

Pour citer la page : MLA APA Chicago > Duke University. ’Previously unknown intercellular electricity may power biology : Newly discovered electrical activity within cells could change the way researchers think about biological chemistry.’ ScienceDaily. ScienceDaily, 28 April 2023. www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230428153615.htm .

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Découverte d’un nouveau genre d’activité électrique dans nos cellules, révélatrice des origines de la vie - Laurie Henry·3 mai 2023 – Document ‘trustmyscience.com’

nouvelle activite electrique cellules origine vie couv

Image : Les condensats biologiques, un peu comme des gouttelettes d’huile dans l’eau, abritent des déséquilibres électriques qui auraient pu fournir l’énergie nécessaire à l’apparition de la vie. | Ottó/Pixabay

Nos cellules sont spécialisées dans la conduction de courants électriques. En effet, l’électricité est nécessaire au système nerveux pour faire circuler des signaux entre le corps et le cerveau, ce qui nous permet de bouger, de penser et de ressentir. Récemment, des chercheurs ont découvert une activité électrique nouvelle dans les cellules. Elle pourrait changer la façon dont les scientifiques pensent la chimie biologique et même aider à comprendre l’apparition de la vie sur Terre.

Le corps humain, comme celui de tout organisme vivant, est animé par une activité électrique permettant le mouvement, la pensée et les sensations. Des impulsions d’énergie semblables à des éclairs traversent le cerveau et les nerfs, et la plupart des processus biologiques dépendent des ions électriques (comme le sodium, le potassium, le calcium et le magnésium) qui traversent les membranes de chaque cellule de notre corps.

En effet, le contenu d’une cellule est protégé du milieu extérieur par une membrane constituée de lipides créant une barrière que seules certaines substances ou molécules peuvent franchir. Elle agit également comme un moyen pour la cellule de générer des courants électriques.

Les cellules au repos sont chargées négativement à l’intérieur, tandis que l’environnement extérieur est « plutôt » chargé positivement. Cela est dû à un léger déséquilibre entre les ions positifs et négatifs à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Les cellules peuvent réaliser cette séparation de charge en permettant aux ions chargés d’entrer et de sortir à travers la membrane. Le flux de charges à travers la membrane cellulaire est ce qui génère des courants électriques.

La membrane semblait donc un élément essentiel pour créer ce déséquilibre de charge à des fins expérimentales. Cependant, des chercheurs de l’Université de Stanford, en 2019, ont découvert que des charges électriques déséquilibrées similaires peuvent exister entre des microgouttelettes d’eau et d’air, sans présence de membrane.

Récemment, des chercheurs de l’Université Duke ont découvert que ces types de champs électriques existent également à l’intérieur et autour d’un autre type de structure cellulaire appelée condensat biologique. Comme les gouttelettes d’huile flottant dans l’eau, ces structures existent en raison des différences de densité. Elles forment des compartiments à l’intérieur de la cellule sans avoir besoin de la limite physique d’une membrane. La nouvelle étude est publiée dans la revue Chem.

Une membrane inutile pour créer de l’électricité

Les cellules peuvent construire des condensats biologiques pour séparer ou piéger ensemble certaines protéines et molécules, entravant ou favorisant leur activité. Les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment fonctionnent les condensats et à quoi ils pourraient servir.

Une étude de Nature les définit comme des compartiments à l’échelle du micron dans les cellules eucaryotes dépourvues de membranes environnantes, mais agissant pour concentrer les protéines et les acides nucléiques. Ces condensats sont impliqués dans divers processus, notamment le métabolisme de l’ARN, la biogenèse des ribosomes, la réponse aux dommages de l’ADN et la transduction du signal.

Inspirés par des recherches antérieures démontrant que les microgouttelettes d’eau interagissant avec l’air ou les surfaces solides créent de minuscules déséquilibres électriques, les chercheurs ont décidé de voir s’il en était de même pour les petits condensats biologiques, et si ces déséquilibres déclenchent des réactions d’oxygène réactif, dites « redox », comme pour les autres systèmes.

Effectivement, lorsque des charges électriques (électrons) sont échangées entre deux matériaux, elles peuvent produire des fragments moléculaires qui ont la possibilité de s’apparier pour former des radicaux hydroxyles — formule chimique OH. Ceux-ci peuvent ensuite s’apparier à nouveau pour former du peroxyde d’hydrogène (H2O2) en quantités infimes, mais détectables. Aussi appelé « eau oxygénée en solution aqueuse », il joue un rôle clé dans la chimie de l’eau et de l’ozone de l’atmosphère.

Yifan Dai, chercheur postdoctoral à Duke et co-auteur de l’étude, explique dans un communiqué : « Mais les interfaces ont rarement été étudiées dans des régimes biologiques autres que la membrane cellulaire, qui est l’une des parties les plus essentielles de la biologie. Nous nous demandions donc ce qui pouvait se passer à l’interface des condensats biologiques, c’est-à-dire s’il s’agissait également d’un système asymétrique ».

Le laboratoire du professeur Chilkoti à Duke se spécialise dans la création de versions synthétiques de condensats biologiques naturels, permettant alors aux auteurs d’en concevoir facilement pour tester leur théorie, en y ajoutant un colorant qui brille en présence d’espèces réactives à l’oxygène, témoin de réactions « redox ».

Les auteurs ont alors découvert que lorsque les conditions environnementales sont bonnes, une lueur commence à être émise à partir des bords des condensats, confirmant qu’un phénomène électrique, jusqu’alors insoupçonné, est à l’œuvre. Ashutosh Chilkoti souligne : « La découverte suggère que les condensats n’ont pas simplement évolué pour remplir des fonctions biologiques, mais qu’ils sont également dotés d’une fonction chimique critique qui est essentielle aux cellules ».

Les condensats, essentiels à l’apparition de la vie sur Terre ?

Bien que les implications biologiques de cette réaction en cours au sein de nos cellules ne soient pas connues, Dai donne un exemple prébiotique de la puissance de ses effets : les centrales électriques de nos cellules, appelées mitochondries, créent de l’énergie pour toutes les fonctions de la vie par le même processus chimique de base. Mais avant que les mitochondries, ou même les cellules les plus simples n’existent, quelque chose devait bien fournir de l’énergie pour que la toute première des fonctions de la vie commence à fonctionner…

Il explique que dans un environnement prébiotique sans enzymes pour catalyser les réactions, cette découverte de champs électriques dans les condensats biologiques pourrait fournir des indices sur l’origine de la vie, en tant que source d’énergie.

Source : Chem

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Annexe – Documents complémentaires sur les condensats biologiques

Le rôle des condensats : c’est nouveau et passionnant pour expliquer le fonctionnement cellulaire – Présentation d’un document de ‘effervesciences.info’

C’est un concept biologique totalement nouveau qui trouve sa place chez les chercheurs en cytologie. Un phénomène physico-chimique simplissime qui résout bien des énigmes du Vivant : certaines protéines, par milliers, peuvent se condenser ou se délayer dans une microzone, activant ainsi des processus cellulaires.

http://effervesciences.info/wp-content/uploads/2021/06/aaa.pngSchéma - D’une manière ou d’une autre, dans le cytoplasme surchargé, les enzymes doivent trouver leurs substrats et les molécules de signalisation doivent trouver leurs récepteurs, afin que la cellule puisse effectuer le travail de croissance, de division et de survie.

Si les cellules ballottaient des sacs de cytoplasme uniformément mélangé, ce serait difficile à réaliser. Mais ils ne le sont pas. Les organites membranaires aident à organiser une partie du contenu, compartimentant utilement des ensembles de matériaux et fournissant des surfaces qui permettent des processus importants, tels que la production d’ATP, le carburant biochimique des cellules.

Mais, comme les scientifiques commencent à peine à l’apprécier, ils ne sont qu’une source d’ordre.

De nombreux processus vitaux dans les cellules sont régulés par des nuages ​​de protéines et dautres molécules qui fusionnent en condensats selon un besoin, puis se dispersent.

Ces expériences récentes révèlent que certaines protéines se rassemblent spontanément en assemblages transitoires appelés condensats, en réponse à des forces moléculaires qui équilibrent précisément les transitions entre la formation et la dissolution de gouttelettes à l’intérieur de la cellule.

Les condensats, parfois appelés organites sans membrane, peuvent séquestrer des protéines spécifiques du reste du cytoplasme, empêchant les réactions biochimiques indésirables et augmentant considérablement l’efficacité des protéines utiles. Ces découvertes modifient notre compréhension fondamentale du fonctionnement des cellules.

Par exemple, les condensats peuvent expliquer la vitesse de nombreux processus cellulaires. Cela ressemble à un flash mob. Vous allumez la radio, et tout le monde se réunit, puis vous l’éteignez et tout le monde disparaît.

Le mécanisme est « extrêmement régulable, on peut former ces condensats et les dissoudre assez facilement en changeant simplement les concentrations de molécules » ou en modifiant chimiquement les protéines. Cette précision fournit un levier pour contrôler une foule d’autres phénomènes, y compris l’expression génique.

Il y a désormais un véritable flot de recherches sur les condensats biomoléculaires, ces compartiments cellulaires liquides aux propriétés à la fois élastiques et visqueuses.

Maintenant, les biologistes cellulaires semblent trouver des condensats partout où ils regardent : dans la régulation de l’expression des gènes, la formation de fuseaux mitotiques, l’assemblage des ribosomes et bien d’autres processus cellulaires dans le noyau et le cytoplasme. Ces condensats ne sont pas seulement nouveaux mais suscitent la réflexion : l’idée que leurs fonctions émergent des comportements collectifs des molécules est devenue le concept central de la biologie des condensats, et elle contraste fortement avec l’image classique des paires d’agents biochimiques et de leurs cibles s’emboîtant comme des serrures et des clés. Les chercheurs cherchent encore à sonder la fonctionnalité de ces propriétés émergentes ; cela nécessitera le développement de nouvelles techniques pour mesurer et manipuler la viscosité et d’autres propriétés de minuscules gouttelettes dans une cellule.

Comment se forment les condensats

Lorsque les biologistes ont tenté d’expliquer ce qui était à l’origine du phénomène de séparation de phase derrière la condensation dans les cellules vivantes, la structure des protéines elles-mêmes offrait un point de départ naturel. Les protéines bien repliées contiennent généralement un mélange d’acides aminés hydrophiles et hydrophobes. Les acides aminés hydrophobes ont tendance à s’enfouir à l’intérieur des plis protéiques, loin des molécules d’eau, tandis que les acides aminés hydrophiles sont attirés vers la surface. Ces acides aminés hydrophobes et hydrophiles déterminent comment la protéine se replie et conserve sa forme.

Mais certaines chaînes protéiques ont relativement peu d’acides aminés hydrophobes, elles n’ont donc aucune raison de se replier. Au lieu de cela, ces protéines intrinsèquement désordonnées (IDP) fluctuent en forme et s’engagent dans de nombreuses interactions multivalentes faibles. Les interactions IDP ont été considérées pendant des années comme la meilleure explication du comportement des gouttelettes fluides.

L’oligomérisation (et non pas polymérisation, qui elle est quasi définitive), se produit lorsque les protéines se lient les unes aux autres et forment des complexes plus grands avec des unités répétitives, appelées oligomères. Au fur et à mesure que la concentration de protéines augmente, la séparation de phases et la formation d’oligomères augmentent également. Lors d’une conférence à la réunion de l’American Society for Cell Biology en décembre, Brangwynne a montré qu’à mesure que la concentration d’oligomères augmente, la force de leurs interactions surmonte finalement la barrière de nucléation, l’énergie nécessaire pour créer une surface séparant le condensat du reste du cytoplasme. À ce stade, les protéines se rapprochent pour former un condensat.

Condensats et expression génique

Les condensats semblent être impliqués dans de nombreux aspects de la biologie cellulaire, mais un domaine qui a reçu une attention particulière est l’expression des gènes et la production de protéines.

Les ribosomes sont des usines de fabrication de protéines cellulaires, et leur nombre dans une cellule limite souvent son taux de croissance. Les travaux de Brangwynne et d’autres suggèrent que les cellules à croissance rapide pourraient obtenir de l’aide du plus gros condensat du noyau : le nucléole. Le nucléole facilite la transcription rapide des ARN ribosomiques en rassemblant tous les mécanismes de transcription nécessaires, y compris l’enzyme spécifique (ARN polymérase I) qui les fabrique.

L’été dernier, Weber a publié une étude montrant que dans les cellules de bactéries E. coli à croissance lente, l’enzyme ARN polymérase est uniformément distribuée, mais dans les cellules à croissance rapide, elle se regroupe en condensats. Les cellules à croissance rapide peuvent avoir besoin de concentrer la polymérase autour des gènes ribosomaux pour synthétiser efficacement l’ARN ribosomal.

Schéma explicatif

http://effervesciences.info/wp-content/uploads/2021/06/Capture-d’écran-2021-06-01-à-18.07.49.png

Bien que Weber et Brangwynne aient montré que la transcription active se produit dans un gros condensat, le nucléole, d’autres condensats dans le noyau font le contraire. De grandes parties de l’ADN dans le noyau sont classées comme hétérochromatine car elles sont plus compactes et ne sont généralement pas exprimées sous forme de protéines. En 2017, Karpen, Amy Strom ont montré qu’une certaine protéine subira une séparation de phase et formera des gouttelettes sur l’hétérochromatine dans des embryons de drosophile. Ces gouttelettes peuvent fusionner les unes avec les autres, fournissant éventuellement un mécanisme de compactage de l’hétérochromatine à l’intérieur du noyau.

Les résultats suggèrent également une explication possible passionnante d’un mystère de longue date. Il y a des années, les généticiens ont découvert que s’ils prenaient un gène activement exprimé et le plaçaient juste à côté de l’hétérochromatine, le gène serait réduit au silence, comme si l’état d’hétérochromatine se propageait. « Ce phénomène de propagation est apparu très tôt, et personne ne l’a vraiment compris », a déclaré Karpen.

Plus tard, les chercheurs ont découvert des enzymes impliquées dans la régulation épigénétique appelées méthyltransférases, et ils ont émis l’hypothèse que les méthyltransférases passeraient simplement d’une histone à l’autre le long du brin d’ADN de l’hétérochromatine à l’euchromatine adjacente, une sorte de « mécanisme de traitement enzymatique », Karpen mentionné. C’est le modèle dominant pour expliquer le phénomène de propagation au cours des 20 dernières années.

Mais Karpen pense que les condensats qui se trouvent sur l’hétérochromatine, comme des billes humides sur une corde, pourraient être les produits d’un mécanisme différent qui explique la propagation de l’état d’hétérochromatine silencieuse. « Ce sont des façons fondamentalement différentes de penser au fonctionnement de la biologie », a-t-il déclaré. Il s’efforce maintenant de tester l’hypothèse.

La formation des filaments

Les condensats ont également aidé à résoudre un mystère cellulaire différent – pas à l’intérieur du noyau, mais le long de la membrane cellulaire. Lorsqu’un ligand se lie à une protéine réceptrice à la surface d’une cellule, il initie une cascade de changements moléculaires et de mouvements qui transmettent un signal à travers le cytoplasme. Mais pour que cela se produise, il faut d’abord que quelque chose rassemble tous les acteurs dispersés du mécanisme. Les chercheurs pensent maintenant que la séparation de phase pourrait être une astuce utilisée par les cellules pour regrouper les molécules de signalisation requises au niveau du récepteur membranaire.

La polymérisation de la tubuline est essentielle à la formation des fuseaux mitotiques qui aident les cellules à se diviser.

http://effervesciences.info/wp-content/uploads/2021/06/OIP.jpgSchéma

Dans une expérience in vitro, Hyman et son équipe ont créé des gouttelettes de la protéine tau se liant aux microtubules, puis ont ajouté de la tubuline, qui migre dans les condensats de tau. Lorsqu’ils ont ajouté des nucléotides aux condensats pour simuler la polymérisation, les monomères de tubuline se sont assemblés en de beaux microtubules. Hyman et ses collègues ont proposé que la séparation de phase pourrait être un moyen général pour les cellules d’initier la polymérisation des microtubules et la formation du fuseau mitotique.

La protéine tau est également connue pour former les agrégats de protéines qui sont les caractéristiques de la maladie d’Alzheimer. En fait, de nombreuses affections neurodégénératives, telles que la sclérose latérale amyotrophique (SLA) et la maladie de Parkinson, impliquent la formation défectueuse d’agrégats de protéines dans les cellules.

Peut-être que la question n’est pas de savoir pourquoi les agrégats se forment dans la maladie, mais pourquoi ils ne se forment pas dans des cellules saines. « L’une des choses que je demande souvent dans les réunions de groupe est la suivante : pourquoi la cellule ne ressemble pas à des œufs brouillés ? » Hyman a déclaré dans son discours à la réunion de biologie cellulaire ; la teneur en protéines du cytoplasme est « tellement concentrée qu’il devrait simplement s’échapper de la solution ».

Un indice est venu lorsque des chercheurs du laboratoire de Hyman ont ajouté le carburant cellulaire ATP à des condensats de protéines de granules de stress purifiées et ont vu ces condensats disparaître.

Pour approfondir leurs recherches, les chercheurs ont mis des blancs d’œufs dans des tubes à essai, ont ajouté de l’ATP dans un tube et du sel dans l’autre, puis les ont chauffés. Alors que les blancs d’œufs dans le sel se sont agrégés, ceux contenant de l’ATP ne l’ont pas fait : L’ATP empêchait l’agrégation des protéines aux concentrations trouvées dans les cellules vivantes.

Mais comment ? Cela resta un casse-tête jusqu’à ce que Hyman rencontre par hasard un chimiste lors de la présentation d’un séminaire à Bangalore. Le chimiste a noté que dans les procédés industriels, des additifs appelés hydrotropes sont utilisés pour augmenter la solubilité des molécules hydrophobes. De retour dans son laboratoire, Hyman et ses collègues ont découvert que l’ATP fonctionnait exceptionnellement bien comme hydrotrope.

Curieusement, l’ATP est un métabolite très abondant dans les cellules, avec une concentration typique de 3 à 5 millimolaires. La plupart des enzymes qui utilisent l’ATP fonctionnent efficacement avec des concentrations inférieures de trois ordres de grandeur. Pourquoi, alors, l’ATP est-il si concentré à l’intérieur des cellules, s’il n’est pas nécessaire pour déclencher des réactions métaboliques ?

Une explication possible, suggère Hyman, est que l’ATP n’agit pas comme un hydrotrope en dessous de 3 à 5 millimolaires. « Une possibilité est qu’à l’origine de la vie, l’ATP ait évolué en tant qu’hydrotrope biologique pour maintenir les biomolécules solubles à haute concentration et a ensuite été coopté comme énergie », a-t-il déclaré.

Il est difficile de tester cette hypothèse de manière expérimentale, admet Hyman, car il est difficile de manipuler les propriétés hydrotropes de l’ATP sans affecter également sa fonction énergétique. Mais si l’idée est correcte, cela pourrait aider à expliquer pourquoi les agrégats de protéines se forment couramment dans les maladies associées au vieillissement, car la production d’ATP devient moins efficace avec l’âge.

Autres utilisations des gouttelettes

Prenez des ovocytes primordiaux, des cellules des ovaires qui peuvent rester dormantes pendant des décennies avant de devenir un œuf. Chacune de ces cellules a un corps Balbiani, un gros condensat de protéine amyloïde que l’on trouve dans les ovocytes d’organismes allant des araignées aux humains. On pense que le corps de Balbiani protège les mitochondries pendant la phase de dormance de l’ovocyte en regroupant la majorité des mitochondries avec de longues fibres de protéines amyloïdes. Lorsque l’ovocyte commence à mûrir en ovule, ces fibres amyloïdes se dissolvent et le corps Balbiani disparaît.

http://effervesciences.info/wp-content/uploads/2021/06/aaa-1.png

Schéma – Les agrégats de protéines peuvent également résoudre des problèmes qui nécessitent des réponses physiologiques très rapides, comme l’arrêt des saignements après une blessure. Par exemple, Mucor circinelloides est une espèce fongique avec des réseaux interconnectés et pressurisés d’hyphes radiculaires à travers lesquels les nutriments circulent. Des chercheurs du laboratoire des sciences de la vie de Temasek, dirigé par le biologiste évolutif des cellules Greg Jedd, ont récemment découvert que lorsqu’ils blessaient la pointe d’un hyphe de Mucor, le protoplasme jaillissait au début mais formait presque instantanément un bouchon gélatineux qui arrêtait le saignement.

Jedd soupçonnait que cette réponse était médiée par un long polymère, probablement une protéine à structure répétitive. Les chercheurs ont identifié deux protéines candidates et ont découvert que, sans elles, les champignons blessés saignaient de manière catastrophique dans une flaque de protoplasme.

Jedd et ses collègues ont étudié la structure des deux protéines, qu’ils appelaient gelline A et gelline B. Les protéines avaient 10 domaines répétitifs, dont certains avaient des acides aminés hydrophobes qui pouvaient se lier aux membranes cellulaires. Les protéines se sont également déployées à des forces similaires à celles qu’elles subiraient lorsque le protoplasme jaillit sur le site d’une blessure. “Il y a cette accélération massive du flux, et nous pensions donc que c’est peut-être le déclencheur qui dit au gellin de changer d’état”, a déclaré Jedd. Le bouchon, déclenché par un signal physique qui fait passer la gelline de la phase liquide à la phase solide, est solidifié de manière irréversible.

Reconsidérer les anciennes explications

La séparation de phase s’est avérée être omniprésente et les chercheurs ont généré de nombreuses idées sur la façon dont ce phénomène pourrait être impliqué dans diverses fonctions cellulaires.

Les incertitudes ne découragent pas non plus Hyman. « Ce que la séparation de phase permet à tout le monde de faire, c’est de revenir en arrière et de regarder les anciens problèmes qui se sont arrêtés et de penser : Pouvons-nous maintenant y penser différemment ? » il a dit. « Toute la biologie structurale qui a été réalisée vient d’être brillante – mais de nombreux problèmes sont restés lettre morte. Ils ne pouvaient pas vraiment expliquer les choses. Et c’est ce que la séparation de phase a permis, c’est que tout le monde repense à ces problèmes. “

Source : Quanta Magazine - Publié le 1 juin 2021 Auteur admin1402 Catégories BIOLOGIE, CONTROVERSES, MYSTÈRES DE L’EAU, NATURE Mots-clés : condensat, épigénétique, génétique, mitochondrie, nucléole, ovaire

Source : https://effervesciences.info/index.php/2021/06/01/nouveau-et-passionnant-pour-expliquer-le-fonctionnement-cellulaire-le-role-des-condensats/

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Cours - Condensats biologiques, transitions de phase actives du 07 nov 2022   12 déc 2022 – Information ‘college-de-france.fr’

Image d’une cellule embryonnaire de ver rondIllustration

Références

’Considerations and Challenges in Studying Liquid-Liquid Phase Separation and Biomolecular Condensates’, Alberti, Simon and Gladfelter, Amy and Mittag, Tanja, Cell 176, 419—434 (2019).

’Biomolecular Condensates : Organizers of Cellular Biochemistry’, Banani, Salman F and Lee, Hyun O and Hyman, Anthony A and Rosen, Michael K, Nature Reviews Molecular Cell Biology, 18, 285—298 (2017).

’Beyond Stereospecificity : Liquids and Mesoscale Organization of Cytoplasm’, Hyman, Anthony A and Brangwynne, Clifford P, Developmental Cell, 21, 14—16 (2011).

’Beyond Oil and Water—Phase Transitions in Cells’, Hyman, Anthony A and Simons, Kai, Science, 337, 1047—1049 (2012).

’Liquid-Liquid Phase Separation in Biology’, Hyman, Anthony A and Weber, Christoph A and Julicher, Frank, Annu. Rev. Cell Dev. Biol, 30, 39—58 (2014).

’Liquid Phase Condensation in Cell Physiology and Disease’, Shin, Yongdae and Brangwynne, Clifford P, Science, 357, 6357, (2017).

’Emulsions : Basic Principles’, Bibette, Jérôme and Calderon, F Leal and Poulin, P, Reports on Progress in Physics, 62, 969 (1999).

’Physics of Active Emulsions’, Weber, Christoph A and Zwicker, David and Julicher, Frank and Lee, Chiu Fan, Reports on Progress in Physics, 82, (2019).

’Theory of Phase-Ordering Kinetics’, Bray, Alan J, Advances in Physics, 51, 481—587 (2002).

’An Introduction to Motility-Induced Phase Separation’, O’Byrne, Jérémy and Solon, Alexandre and Tailleur, Julien and Zhao, Yongfeng, arXiv preprint arXiv:2112.03979, (2021).

Associé à : Séminaire en relation avec le cours : Condensats biologiques, transitions de phase actives

Jean-François Joanny, chaire Matière molle et biophysique

Télécharger le programme pdf (650.14 Ko)

Source : https://www.college-de-france.fr/agenda/cours/condensats-biologiques-transitions-de-phase-actives

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