L’illustration représente deux langages chimiques à la base de la communication moléculaire. La même molécule blanche, représentée comme un verrou, est activée soit par allostérie (en haut), soit par multivalence (en bas). L’activateur allostérique (cyan) induit un changement conformationnel de la serrure tandis que l’activateur multivalent fournit la partie manquante de la serrure, tous deux permettant l’activation par la clé (rose). Crédit : Médias médicaux Mooney / Caitlin Mooney
Des chercheurs canadiens de l’Université de Montréal ont réussi à recréer et à confirmer mathématiquement deux langages moléculaires à l’origine de la vie.
Leurs découvertes révolutionnaires, récemment publiées dans le Journal de la Société américaine de chimieouvrent la voie aux progrès des nanotechnologies, offrant un potentiel dans des domaines tels que la biodétection, l’administration de médicaments et l’imagerie moléculaire.
Les organismes vivants sont constitués de milliards de nanomachines et de nanostructures qui communiquent pour créer des entités d’ordre supérieur capables d’accomplir de nombreuses choses essentielles, comme se déplacer, penser, survivre et se reproduire.
« La clé de l’émergence de la vie repose sur le développement de langages moléculaires – également appelés mécanismes de signalisation – qui garantissent que toutes les molécules des organismes vivants travaillent ensemble pour accomplir des tâches spécifiques », a déclaré le chercheur principal de l’étude, professeur de bioingénierie à l’UdeM, Alexis Vallée-Bélisle.
Chez les levures, par exemple, lors de la détection et de la liaison d’une phéromone d’accouplement, des milliards de molécules communiqueront et coordonneront leurs activités pour initier l’union, a déclaré Vallée-Bélisle, titulaire d’une chaire de recherche du Canada en bioingénierie et bionanotechnologie.
« Alors que nous entrons dans l’ère des nanotechnologies, de nombreux scientifiques pensent que la clé de la conception et de la programmation de nanosystèmes artificiels plus complexes et plus utiles repose sur notre capacité à comprendre et à mieux utiliser les langages moléculaires développés par les organismes vivants », a-t-il déclaré.
Deux types de langues
Un langage moléculaire bien connu est l’allostérie. Le mécanisme de ce langage est « serruré » : une molécule se lie et modifie la structure d’une autre molécule, lui ordonnant de déclencher ou d’inhiber une activité.
Un autre langage moléculaire moins connu est la multivalence, également connue sous le nom d’effet chélaté. Cela fonctionne comme un puzzle : lorsqu’une molécule se lie à une autre, elle facilite (ou non) la liaison d’une troisième molécule en augmentant simplement son interface de liaison.
Les chercheurs Alexis Vallée-Bélisle (à gauche) et Dominic Lauzon (à droite) en train de concevoir des langages chimiques à l’aide d’un synthétiseur d’ADN. Crédit : Amélie Philibert | Université De Montréal
Bien que ces deux langages soient observés dans tous les systèmes moléculaires de tous les organismes vivants, ce n’est que récemment que les scientifiques ont commencé à comprendre leurs règles et principes et les utilisent donc pour concevoir et programmer de nouvelles nanotechnologies artificielles.
« Compte tenu de la complexité des nanosystèmes naturels, personne n’était auparavant capable de comparer les règles de base, les avantages ou les limites de ces deux langages sur un même système », a déclaré Vallée-Bélisle.
Pour ce faire, son doctorant Dominic Lauzon, premier auteur de l’étude, a eu l’idée de créer un ADN-système moléculaire basé sur un système qui pourrait fonctionner en utilisant les deux langues. « L’ADN est comme des briques Lego pour les nano-ingénieurs », a déclaré Lauzon. « C’est une molécule remarquable qui offre une chimie simple, programmable et facile à utiliser. »
Des équations mathématiques simples pour détecter les anticorps
Les chercheurs ont découvert que de simples équations mathématiques pouvaient très bien décrire les deux langages, qui révélaient les paramètres et les règles de conception permettant de programmer la communication entre les molécules au sein d’un nanosystème.
Par exemple, alors que le langage multivalent permettait de contrôler à la fois la sensibilité et la coopérativité de l’activation ou de la désactivation des molécules, la traduction allostérique correspondante permettait uniquement de contrôler la sensibilité de la réponse.
Forts de cette nouvelle compréhension, les chercheurs ont utilisé le langage de la multivalence pour concevoir et fabriquer un capteur d’anticorps programmable qui permet la détection d’anticorps sur différentes plages de concentration.
« Comme l’a démontré la récente pandémie, notre capacité à surveiller avec précision la concentration d’anticorps dans la population générale est un outil puissant pour déterminer l’immunité individuelle et collective des gens », a déclaré Vallée-Bélisle.
En plus d’élargir la boîte à outils synthétiques pour créer la prochaine génération de nanotechnologies, la découverte du scientifique met également en lumière les raisons pour lesquelles certains nanosystèmes naturels peuvent avoir choisi un langage plutôt qu’un autre pour communiquer des informations chimiques.
Le financement a été fourni par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le programme des Chaires de recherche du Canada et les Fonds de recherche du Québec – Nature et technologies.
