En tant qu'usine de protéines de la cellule, le ribosome est la seule machine naturelle qui fabrique ses propres pièces. C'est pourquoi comprendre comment la machine elle-même est fabriquée pourrait ouvrir la porte à tout, de la compréhension de l'évolution de la vie à la conception de nouvelles méthodes de production de médicaments.
Un effort de recherche intensif et long à l'Institut Weizmann des sciences a maintenant démontré l'auto-synthèse et l'assemblage de la petite sous-unité d'un ribosome -30S – sur une surface d'une puce.
Le professeur Roy Bar-Ziv et le scientifique en poste Dr Shirley Shulman Daube du département de physique chimique et biologique de l'Institut travaillent sur ce projet depuis environ sept ans. L'un des principaux défis d'un tel projet est le nombre de molécules différentes que la cellule doit produire pour fabriquer la sous-unité: le noyau est un long brin d'ARN et 20 protéines différentes doivent être attachées au brin.
Ceux-ci sont organisés par les faibles forces chimiques entre les molécules de protéines et l'ARN – repoussant à certains points et attirant à d'autres – et toute la structure repose donc sur la fabrication et l'organisation appropriées de chaque composant. Ajoutez à cela six autres protéines qui ne font pas partie de la structure, mais agissent comme chaperons pour aider à l'assemblage. Cela fait au total au moins 27 gènes différents – un pour coder chaque composant ou chaperon – qui doivent travailler ensemble pour créer la sous-unité.
Avec le boursier postdoctoral Michael Levy, qui a dirigé l'étude actuelle, et l'étudiant-chercheur Reuven Falkovich, l'équipe a produit les sous-unités sur des puces personnalisées que Bar-Ziv a développées dans son laboratoire. En fin de compte, ils ont réussi à imiter le processus naturel de synthèse des pièces et de les assembler en sous-unités de ribosomes. Les minuscules puces du laboratoire de Bar-Ziv sont basées sur des brins d'ADN densément emballés attachés à une extrémité à la surface. Au début, l'équipe a utilisé les 27 gènes nécessaires à la reproduction de la sous-unité 30S d'un ribosome d'une bactérie E. coli. Les composants ont été capturés dans des «pièges moléculaires» placés près de leurs gènes, ce qui a amélioré l'efficacité du processus et a permis aux scientifiques d'observer le processus de production en temps réel. Ensuite, ils ont pris du recul, permettant aux différentes parties de s'assembler de manière autonome dans les unités ribosomales, sans direction extérieure ni interférence.
Hiérarchie moléculaire
Au début, Bar-Ziv et Shulman Daube ont découvert qu'ils pouvaient fabriquer les composants, mais les faire s'auto-assembler, comme le font les structures naturelles, était un obstacle difficile. Au cours des sept prochaines années et des centaines d'essais, les scientifiques ont recherché le placement correct des gènes sur les puces. Quelque chose comme l'organisation des gènes dans le chromosome, les gènes sur la puce devaient être positionnés aux bons endroits et dans les quantités relatives appropriées. Il s'est avéré que cela était crucial pour l'orchestration globale du processus d'assemblage complexe. Chaque fois, les scientifiques attacheraient une constellation de gènes différente aux puces, réduisant les possibilités jusqu'à ce qu'ils aient une composition qui pourrait imiter ce processus naturel de production de sous-unités ainsi que l'auto-assemblage. Dans la nature, l'assemblage de sous-unités est un processus hiérarchique. Au cours de leurs expériences, les scientifiques ont pu décomposer l'assemblage en étapes individuelles pour prouver que le résultat final était une sous-unité auto-assemblée et observer les rôles des chaperons dans ce processus.
Bar-Ziv et Shulman Daube croient que cette nouvelle vision de la production de structures complexes et multi-composants pourrait ouvrir la voie à la création de toutes sortes d'autres structures moléculaires complexes – existantes ou non existantes dans la nature. Ainsi, par exemple, des structures trouvées dans des bactéries pathogènes pourraient être produites dans le but de tester et de fabriquer en toute sécurité des médicaments, des vaccins ou des diagnostics sans utiliser de bactéries infectieuses entières. À l'avenir, la méthode d'auto-assemblage pourrait conduire au développement de nouveaux types de vaccins, ainsi que de lignes d'assemblage pour diverses molécules complexes pour différentes industries.
La source:
Institut Weizmann des sciences
