Les protéines membranaires sont fortement impliquées dans une variété de processus cellulaires tels que la transduction du signal, la translocation membranaire, l’adhésion cellulaire et bien d’autres, et sont donc d’un grand intérêt dans le domaine de la conception de médicaments.
La structure des protéines membranaires pertinentes est parfois imitée lors de recherches utilisant des micelles détergentes, qui sont capables de piéger et d’extraire la protéine membranaire dans une couche lipidique qui émule quelque peu les conditions trouvées dans la bicouche lipidique de la membrane cellulaire.
Cependant, les détergents peuvent interférer avec les interactions de liaison que la protéine aurait pu faire autrement en leur absence et peuvent influencer la structure de la protéine tertiaire.
De même, des liposomes phospholipidiques et d’autres types de bicouche lipidique ont été utilisés pour imiter les conditions naturelles des protéines membranaires. Cependant, ces techniques conduisent souvent à des particules de tailles hétérogènes qui ne sont pas compatibles avec de nombreuses techniques de microscopie.
Les nanodisques de phospholipides sont construits à partir d’une bicouche lipidique entourée de protéines amphipathiques qui entourent la structure en une forme de disque, produisant un environnement plus représentatif de celui que l’on trouve naturellement dans la membrane cellulaire.
Malheureusement, comme pour les liposomes, les nanodisques souffrent souvent d’un dimensionnement et d’une charge protéique non homogènes, en particulier lorsqu’ils sont fabriqués dans des tailles supérieures à 16 nm de diamètre.
Dans un article récemment téléchargé dans la revue Frontières en biotechnologie par Padmanabha Das et al. (12 Juine, 2020), une méthode de production de nanodisques homogènes beaucoup plus grands jusqu’à 90 nm de diamètre est décrite, et les avantages et les applications de tels nanodisques sont explorés : mieux reproduire la courbure réelle et la symétrie membranaire d’une membrane cellulaire réelle, et permettre une plus grande ou plusieurs protéines membranaires à charger simultanément.
Les nanodisques comme imitateurs de la membrane cellulaire
Des nanodisques plus petits ont été produits en raccourcissant ou en allongeant les protéines structurelles de la membrane amphipathique qui entourent la bicouche lipidique. Le groupe a utilisé de l’ADN replié dans une structure en forme de tonneau pour produire des nanodisques plus grands, qui sont ensuite inondés de lipides et de la protéine membranaire d’intérêt.
Aperçu des méthodes actuellement disponibles pour produire de grands nanodisques stables et homogènes. (A) Stratégie de circularisation MSP basée sur Sortase. La sortase clive entre le Gly et le Thr du motif LXTG à l’extrémité C-terminale du MSP et catalyse la formation d’une liaison amide avec le N-terminal Gly résultant en un MSP circulaire qui peut être utilisé pour assembler des nanodisques de tailles allant de 9 à 50 nm. (B) Stratégie basée sur l’intéine divisée pour la circularisation de la MSP in vivo à l’aide de l’intéine divisée Npu DnaE. La fusion MSP donne des nanodisques aussi gros que 26 nm. (C) Aperçu du protocole de nanodisque encerclé d’ADN. De petits nanodisques fonctionnalisés avec des oligos se lient à des sites spécifiés sur l’origami d’ADN, ce qui donne un petit baril décoré de nanodisques. L’ajout de détergents et de lipides, suivi de l’élimination des détergents par dialyse, conduit à la reconstitution de grands nanodisques dans le baril d’ADN.
La manière dont un virus pénètre dans une cellule varie en fonction du virus ou de la cellule hôte spécifique et a fait l’objet d’un examen minutieux historiquement et en particulier plus récemment avec l’avènement de la pandémie de COVID-19.
La microscopie cryoélectronique permet de visualiser le processus et a déjà été utilisée en combinaison avec des liposomes pour décrire comment, par exemple, les particules de rhinovirus humain 2 traversent la membrane cellulaire. Cependant, des problèmes d’homogénéité de taille et de chargement limitent la pertinence de cette plateforme.
Les grands nanodisques qui peuvent supporter de grands complexes protéiques imitent mieux la membrane cellulaire naturelle et sont plus adaptés aux études cryo-EM, fournissant potentiellement la structure idéale sur laquelle ces études peuvent être effectuées.
Les nanodisques préparés de cette manière ont également l’avantage d’être potentiellement produits de manière asymétrique, avec des membranes « interne » et « externe » différentes, comme on l’observe naturellement au sein de la membrane plasmique eucaryote, où la sphingomyéline et la phosphatidylcholine sont activement séparées de la membrane externe et la phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylsérine , et phosphatidylinositol à l’intérieur.
En conclusion, l’origami d’ADN a permis la construction de grands nanodisques qui imitent fortement la bicouche lipidique trouvée dans les cellules, capables de supporter un nombre important ou élevé de complexes protéiques dans un in situ-comme environnement.
Image cryo-EM d’une vue sur le terrain d’un poliovirus interagissant avec un récepteur CD155 contenant 50 nm de cND. (B) Images cryo-EM de particules virales individuelles attachées à un nanodisque contenant CD155. (C) Images TEM à coloration négative du poliovirus interagissant avec le récepteur CD155 contenant 60 nm de DCND. (D) Images MET de particules virales individuelles interagissant avec DCND contenant CD155. Certains des nanodisques ont été partiellement libérés de leurs échafaudages d’ADN après avoir lié le virus. Les images montrent la flexion de la bicouche et la création d’un pore dans le nanodisque par le poliovirus. Une représentation de bande dessinée d’un nanodisque partiellement libéré de son échafaudage d’ADN lors de la liaison au virus (à droite). Cette figure est adaptée et utilisée avec l’autorisation de références (Nasr et al., 2017 ; Zhao et al., 2018).
Cette technologie a un large éventail d’utilisations potentielles en biologie, en particulier concernant l’étude de la méthode d’entrée dans les cellules employée par un virus, où le mécanisme de pénétration de la membrane, les étapes de désassemblage des particules virales et tout changement de conformation associé ou l’implication des récepteurs de surface peuvent être établis. .
