Des biologistes de l’ETH Zurich ont découvert des systèmes d’injection moléculaire de type arbalète dans deux types de bactéries et ont décrit leur structure pour la première fois. Les nanomachines spéciales sont utilisées par les microbes pour l’interaction entre les cellules et pourraient un jour être utiles comme outils en biomédecine.
De nombreuses bactéries ont des dispositifs d’injection moléculaire sophistiqués qui sont utilisés pour faire des choses incroyables. Par exemple, une bactérie inocule certaines molécules à une larve de ver via une telle nanomachine composée de protéines, ce qui déclenche la transformation de la larve en ver adulte. D’autres bactéries utilisent ces armes moléculaires pour tuer des souches étrangères de bactéries ou de larves d’insectes, ou elles se défendent contre les cellules nécrophages.
Des chercheurs du groupe de Martin Pilhofer, professeur à l’Institut de biologie moléculaire et de biophysique de l’ETH Zurich, spécialisé dans de telles machines d’injection moléculaire, viennent de décrire deux nouveaux systèmes d’injection dans la revue Microbiologie naturelle: une faite par des cyanobactéries, aussi appelées algues bleu-vert, et une par la bactérie marine Algoriphagus machipongonensis.
Les systèmes d’injection dits contractiles (CIS) récemment découverts fonctionnent fondamentalement différemment des dispositifs décrits précédemment et présentent quelques caractéristiques uniques. De ce fait, ils renseignent également sur les différences évolutives entre les différentes classes de systèmes d’injection.
Ces CIS fonctionnent comme des seringues moléculaires. Lorsque le module de gaine externe de la nanomachine se contracte, un tube interne caché rempli de protéines est projeté. Ces protéines sont soit injectées dans l’environnement, soit directement dans une cellule cible.
Sommaire
Un ancrage surprenant dans la cellule
Un nouveau CIS, que les chercheurs ont trouvé dans les cyanobactéries, n’était pas ancré dans la membrane cellulaire ou flottant librement à l’intérieur de la cellule, comme prévu, mais était attaché à la membrane dite thylakoïde, où la photosynthèse a lieu dans ces bactéries.
C’était la plus grande surprise pour nous. »
Gregor Weiss, auteur principal de l’étude, Système d’injection de cyanobactéries, ETH Zurich
Malgré cette localisation inhabituelle, les CIS ancrés dans la membrane thylakoïde – appelés tCIS – remplissent leur fonction. Si les cyanobactéries sont stressées, par exemple par des concentrations excessives de sel dans l’eau ou la lumière ultraviolette, les couches cellulaires externes se détachent. Cela expose le tCIS orienté vers l’extérieur, prêt à tirer au contact de cellules cibles potentielles.
Les fusils à harpon moléculaires sont également étonnamment courants, ce qui, selon Weiss, indique un rôle important dans le cycle de vie des cyanobactéries. Il soupçonne que le tCIS pourrait jouer un rôle dans la mort cellulaire programmée des cellules individuelles de ces cyanobactéries multicellulaires.
Système d’injection extracellulaire
D’autre part, les chercheurs de l’ETH Jingwei Xu et Charles Ericson, qui travaillent également dans le groupe de Pilhofer, ont découvert et décrit un CIS produit par la bactérie marine Algoriphagus machipongonensisqui n’est pas du tout ancré dans la cellule, mais est plutôt libéré dans l’environnement pour agir sur les cellules cibles de la zone.
Entre autres choses, les chercheurs ont utilisé la cryo-microscopie électronique pour déterminer la structure de ce sous-type spécifique de CIS éjecté (eCIS) en très haute résolution, ce qu’aucun autre groupe de travail n’avait été en mesure de faire auparavant. « Les nano-machines récemment découvertes nous donnent des indices sur le fait que les systèmes d’injection contractiles sont plus courants qu’on ne le pensait auparavant », déclare Ericson.
Des molécules aux bactéries entières
Ces études sont particulières en raison de leur approche interdisciplinaire et diversifiée : des bactéries collectées dans les écosystèmes naturels aux modèles au niveau atomique de leur CIS respectif. « Ce travail montre très bien comment différentes techniques peuvent être utilisées pour avoir une idée du fonctionnement de ces systèmes et structures », explique Weiss. De plus, l’étude montre qu’il est nécessaire de passer des souches de laboratoire aux échantillons environnementaux afin de comprendre le rôle des systèmes d’injection dans le cycle de vie.
Utilisation future en biomédecine
Les deux études aident les chercheurs à comprendre comment les organismes producteurs de CIS affectent leur environnement. De plus, différents sites de ces systèmes éclairent la façon dont chaque CIS est organisé dans un but spécifique : des récepteurs spécialisés de type cheveux permettent une liaison ciblée des cellules cibles, une charge variable de ces sparguns moléculaires provoque différents effets cellulaires et des mécanismes d’ancrage distincts permettent les modes d’action complètement différents des CIS.
Dans cet esprit, il est concevable que de futurs chercheurs utilisent la structure modulaire en biomédecine en la repensant de manière à ce qu’un fusil moléculaire puisse cibler des types de cellules spécifiques et déclencher des médicaments ou des antimicrobiens.
