Des chercheurs de l’Université d’Oxford ont capturé l’assemblage étape par étape de particules individuelles ressemblant à des virus, révélant ainsi comment de simples interactions moléculaires peuvent construire de manière fiable ces structures biologiques complexes. Les résultats ont été publiés aujourd’hui (16 septembre) dans Nature.
Comprendre comment les virus s’assemblent – et ce qui peut perturber ce processus – pourrait à terme aider les chercheurs à concevoir de nouveaux traitements antiviraux, ainsi qu’à mettre au point des vaccins et d’autres thérapies. La nouvelle étude fournit une vision au niveau moléculaire de la façon dont les coques protéiques associées aux virus peuvent s’assembler spontanément et de manière fiable à partir de leurs composants individuels, même lorsqu’il existe des milliers de façons possibles de s’assembler.
L’étude a révélé que le processus fonctionne un peu comme trouver un itinéraire à travers un labyrinthe dans lequel seuls les virages productifs se verrouillent. Les éléments constitutifs des protéines établissent initialement des connexions faibles et réversibles, permettant aux arrangements infructueux de s’effondrer et d’être réessayés. Mais lorsque les protéines forment des structures fermées particulières, leurs multiples connexions les rendent beaucoup plus stables. Ces structures agissent comme un petit nombre de points de cheminement moléculaires, canalisant progressivement un processus autrement très complexe vers la particule terminée.
Un moment crucial se produit lorsque cinq éléments constitutifs protéiques plus gros forment un anneau pentagonal fermé – la première structure particulièrement stable du chemin. Après cette étape, moins d’éléments constitutifs de protéines sont nécessaires pour atteindre chaque nouvelle étape stable, ce qui permet d’accélérer le processus d’assemblage.
Co-auteur principal, le Dr Roi Asor (Département de chimie et Kavli Institute for Nanoscience Discovery, Université d’Oxford) a déclaré : « Un virus doit résoudre un problème de construction extraordinaire. Ses composants doivent d’une manière ou d’une autre trouver le bon agencement parmi un grand nombre de possibilités, sans plan ni machinerie dirigeant le processus. Nous pouvons désormais observer ce qui se passe molécule par molécule et voir les règles physiques qui rendent cela possible« .
Capturer un processus de construction moléculaire
Les virus protègent leur matériel génétique à l’intérieur d’enveloppes protéiques précisément organisées appelées capsides. Ces structures peuvent contenir des dizaines, voire des milliers de composants protéiques, mais dans de nombreux virus, leurs éléments constitutifs s’assemblent spontanément pour prendre la forme correcte.
Les scientifiques étudient ce processus depuis des décennies, mais l’observer directement s’avère extrêmement difficile. Les structures intermédiaires cruciales sont rares et souvent de courte durée, ce qui signifie que les expériences conventionnelles peuvent montrer aux chercheurs ce qui est présent avant et après l’assemblage sans nécessairement révéler les étapes moléculaires reliant les deux.
L’équipe d’Oxford a résolu ce problème en utilisant une particule artificielle semblable à un virus composée de 60 unités protéiques. Ils ont combiné la photométrie de masse, une technologie développée à Oxford qui mesure la masse de molécules individuelles en détectant la lumière qu’elles diffusent, avec une nouvelle méthode permettant de confiner les molécules individuelles afin qu’elles puissent être observées en continu. Cela a permis à l’équipe de « peser » efficacement une particule à plusieurs reprises à mesure que de nouveaux composants protéiques la rejoignaient, révélant ainsi sa croissance étape par étape.
Dan Loewenthal, doctorant co-premier auteur (Département de chimie et Kavli Institute for Nanoscience Discovery, Université d’Oxford) a déclaré : « Cette méthode nous permet d’étudier directement le processus d’assemblage, il suffit de prendre une vidéo !«
Jusqu’à présent, une grande partie de notre compréhension de la manière dont ces structures s’assemblent a dû être reconstruite à partir d’instantanés ou de modèles théoriques. Être capable à la fois de quantifier les interactions sous-jacentes et de suivre une particule à mesure qu’elle grandit change cela. Nous pouvons voir apparaître les structures intermédiaires importantes et en déduire un modèle détaillé du processus de construction« .
Philipp Kukura, co-auteur principal de l’étude et professeur, Département de chimie et Kavli Institute for Nanoscience Discovery, Université d’Oxford
Les résultats expliquent comment un processus d’assemblage comportant un grand nombre de voies théoriquement possibles peut être canalisé à travers un nombre relativement restreint d’étapes productives. Ils révèlent également pourquoi l’étape initiale difficile, connue sous le nom de nucléation, est suivie d’une croissance beaucoup plus rapide une fois l’assemblage en cours.
Le Dr Asor a ajouté : « Les interactions faibles donnent au système la possibilité de commettre des erreurs. La plupart des rencontres ne doivent pas nécessairement aboutir : les composants peuvent se séparer et réessayer. Mais une fois qu’un nombre suffisant d’entre eux sont réunis dans le bon agencement fermé, la structure devient stable et l’assemblage peut avancer. Cette combinaison d’essais et d’erreurs suivie d’un verrouillage dans des structures réussies est ce qui rend le processus si fiable.« .
Le co-auteur, le Dr Jack Tan (Institut de médecine moléculaire MRC Weatherall et Institut CAMS-Oxford) a noté : « La capacité de comprendre ces processus au niveau moléculaire pourrait avoir des applications importantes dans le développement de vaccins et d’antiviraux qui perturbent l’assemblage viral.« .
Plus largement, le principe pourrait s’étendre bien au-delà des virus. L’auto-assemblage est fondamental en biologie, car il soutient des structures allant du squelette cellulaire aux compartiments moléculaires et aux complexes protéiques. Les chercheurs affirment que leur approche permet d’étudier ces processus, une molécule à la fois.
