Les chercheurs de Princeton ont développé un cadre pour concevoir les gouttelettes de protéines qui organisent des fonctions cruciales à l’intérieur d’une cellule. La clé de leurs découvertes était la théorie de la formation de bulles, adaptée de la science des matériaux classique. Dans ce qui précède, un fragment de protéine modifié (en vert) « sème » la formation d’une gouttelette de protéine (en rouge), la base des organites d’ordre supérieur tels que le nucléole. Le nouveau travail marque un changement sismique dans la capacité des scientifiques à manipuler les cellules. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation des chercheurs
La théorie des bulles fait entrer la biologie cellulaire dans une nouvelle ère plus quantitative
Une étude publiée le 22 septembre 2021 dans la revue La nature explique comment une théorie physique établie régissant la formation de bulles et de gouttelettes a conduit à une nouvelle compréhension des principes organisant le contenu des cellules vivantes. Les travaux marquent un changement radical dans la capacité des chercheurs à comprendre et à contrôler les matériaux mous complexes au sein de nos cellules.
“Cette approche est courante en science des matériaux, mais nous l’avons adaptée pour faire quelque chose sans précédent dans les cellules”, a déclaré le chercheur principal Clifford Brangwynne, professeur d’ingénierie en juin K. Wu ’92 et directeur de la Princeton Bioengineering Initiative.
Le travail actuel fait suite à la découverte de Brangwynne il y a plus d’une décennie que les protéines cellulaires s’organisent en structures liquides à l’intérieur de la cellule. Cette idée a donné naissance à un nouveau domaine d’étude examinant comment des parties de cellules se forment un peu comme des gouttes d’huile fusionnant dans l’eau. Les scientifiques se demandent depuis lors les détails exacts de l’assemblage de ces structures. Mais c’est une chose difficile de mesurer la dynamique spongieuse de molécules individuelles à l’intérieur d’une cellule, où des processus mystérieux et superposés se déroulent de manière chaotique alors que de minuscules structures se forment et se dissolvent mille fois par seconde.
Le chercheur postdoctoral Shunsuke Shimobayashi avait étudié la physique de la matière molle à l’Université de Kyoto et s’était demandé si son expérience de travail sur des composés organiques appelés lipides pouvait éclairer quelque chose d’intéressant sur le problème. Si les molécules de protéines se condensent hors de leur environnement de la même manière que l’huile se sépare de l’eau, peut-être que les mathématiques qui ont décrit les premières étapes de ce processus, appelées nucléation, s’avéreraient également utiles pour les protéines.
Shimobayashi s’est tourné vers la théorie classique de la nucléation, un pilier de la science des matériaux. Ses équations ont alimenté certaines des transformations technologiques les plus profondes du XXe siècle, des modèles climatiques qui ont révélé pour la première fois le réchauffement climatique aux engrais qui ont aidé à sortir des milliards de personnes de la famine.
Il était également très conscient d’une distinction critique : ces équations décrivent des systèmes simples et inanimés, mais l’intérieur d’une cellule est en ébullition. “C’est un environnement matériel beaucoup plus complexe pour les biomolécules”, a déclaré Shimobayashi. Pour faire face à cette complexité, l’équipe s’est élargie pour inclure les théoriciens Pierre Ronceray, ancien boursier du Princeton Center for Theoretical Science, et Mikko Haataja, professeur de génie mécanique et aérospatial dont les travaux théoriques et informatiques antérieurs avec le laboratoire Brangwynne avaient conduit à des informations clés. dans des études connexes. Les chercheurs ont réduit la théorie à ses deux paramètres les plus importants, en l’adaptant pour essayer de comprendre comment le processus pourrait fonctionner dans les cellules. Ensuite, pour tester la théorie, Shimobayashi s’est tourné vers un outil protéique avancé développé dans le laboratoire de Brangwynne en 2018 qui a fourni un système idéal et simplifié qui imite la façon dont le processus se produit naturellement dans les cellules. En les mettant ensemble, les résultats ont été un choc.
Lorsque Shimobayashi a essayé d’induire les gouttelettes à semer instantanément, le système a échoué. Mais lorsqu’il a ensemencé les gouttelettes plus lentement, elles se sont nucléées à des emplacements définis avec précision, d’une manière qui correspondait parfaitement à sa théorie adaptée. Il avait prédit comment, où et quand les gouttelettes de protéines se sont formées avec ce que Brangwynne a appelé « remarquable précision. “
L’équipe est ensuite revenue à la complexité désordonnée des structures cellulaires natives, collaborant désormais avec un autre postdoctorant du laboratoire Brangwynne, David Sanders, un expert des structures cellulaires internes appelées granules de stress. Lorsqu’ils ont pris en compte tous les processus qui agissent sur les concentrations de protéines, ils ont découvert que la théorie fonctionnait tout aussi bien pour les granules de stress et autres condensats. Ils avaient quantifié l’assemblage molécule par molécule de protéines dans les structures liquides complexes qui régulent les routines les plus élémentaires de la vie. Non seulement ces structures ressemblent et agissent comme de l’huile dans l’eau, a déclaré Shimobayashi, mais elles forment également des gouttelettes dans les mêmes schémas de nucléation de base, se regroupant autour de variations infimes de leur environnement à des vitesses qui peuvent être prédites avec la même précision quantitative que d’autres types de matériaux. .
Cette puissance prédictive s’accompagne d’une capacité d’ingénierie accélérée, selon Brangwynne. Il pense que la quantification des processus biomoléculaires et le développement de modèles prédictifs dans le moule de la physique conduiront à un monde dans lequel nous ne regarderons plus passivement nos proches succomber à des maladies comme Alzheimer.
« Nous devons d’abord comprendre comment cela fonctionne, avec des cadres mathématiques quantitatifs qui sont le fondement des merveilles d’ingénierie de la société. Et ensuite, nous pourrons passer aux étapes suivantes, pour manipuler les systèmes biologiques avec un plus grand contrôle », a déclaré Brangwynne. « Nous devons être capables de tourner les boutons. »
Référence : « Nucleation landscape of biomolecular condensates » par Shunsuke F. Shimobayashi, Pierre Ronceray, David W. Sanders, Mikko P. Haataja et Clifford P. Brangwynne, 22 septembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03905-5
Ce travail, intitulé “Paysage de nucléation des condensats biomoléculaires”, a été soutenu en partie par le Howard Hughes Medical Institute, un prix d’équipe de recherche ciblée de la Princeton’s School of Engineering and Applied Science, les National Institutes of Health et le Princeton Center for Complex Materials. , Air Force Office of Scientific Research et le Princeton Center for Complex Materials.
