Les chercheurs de Cornell ont trouvé une nouvelle façon potentiellement plus précise de voir ce que font les protéines à l'intérieur des cellules vivantes – en utilisant les propres composants des cellules comme capteurs intégrés.
Cette approche pourrait aider les scientifiques à étudier comment les molécules s'associent à l'intérieur des cellules, y compris dans les virus, et comment les protéines se sont mal repliées dans des maladies comme le cancer et la neurodégénérescence.
Les chercheurs ont découvert une nouvelle façon d'utiliser des protéines naturelles produites par une cellule comme de minuscules capteurs pour rendre compte de leur environnement et de leurs interactions, sans techniques invasives traditionnelles qui pourraient interférer avec les résultats normaux de la biologie et de la recherche de biais d'une cellule. L'étude a été publiée le 1er juillet dans Nature Communications.
La méthode est principalement utile pour comprendre de nouveaux mécanismes biologiques, tels que ceux qui pourraient être impliqués dans des états pathologiques comme le cancer ou pendant l'infection. Par exemple, on pourrait en théorie suivre l'assemblage d'un virus en utilisant cette méthode pour comprendre comment et où ses composants sont construits dans les cellules. «
Brian Crane, The George W. et Grace L. Todd Professeur au Département de chimie et de biologie chimique au Collège des arts et des sciences et auteur correspondant sur la publication
Crane, qui dirige le Weill Institute for Cell and Molecular Biology, et ses collègues se sont concentrés sur les flavines, de petites molécules dérivées de vitamine B2 qui peuvent agir comme des étiquettes magnétiques à l'intérieur des cellules. Cette propriété magnétique les rend détectables par une technique appelée spectroscopie de résonance de spin électronique (ESR), qui est comme une machine IRM mais mesure des changements extrêmement petits et des distances à l'échelle nanométrique. En suivant le comportement des protéines appelées flavoprotéines, qui transportent des flavines, les chercheurs peuvent détecter comment d'autres molécules s'organisent et se déplacent dans les cellules vivantes.
Parce que les flavoprotéines existent dans de nombreux systèmes biologiques, les chercheurs ont vu un moyen de les utiliser comme capteurs intégrés. En déclenchant les propriétés magnétiques de la flavine avec la lumière, ils pourraient utiliser l'ESR pour étudier les structures protéiques directement à l'intérieur des cellules – sans produits chimiques synthétiques.
« Nous étudiions les propriétés de certaines flavoprotéines et avons découvert que leurs états de spin magnétiques étaient plus stables que prévu dans les cellules », a déclaré Timothee Chauviré, associée de recherche au sein du laboratoire de grue de l'Institut Weill et auteur principal de l'étude. « Et à partir de travaux antérieurs sur les protéines sensibles à la lumière, nous avons réalisé que nous pouvions utiliser la lumière pour déclencher le signal dont nous avions besoin pour détecter ces molécules en utilisant ESR. »
Forcer les étiquettes artificielles dans les cellules peut interférer avec la fonction cellulaire, mais les cellules produisent naturellement des sondes contenant des flavines, donc « si vous pouvez inciter la cellule à les faire, c'est beaucoup mieux », a déclaré Crane.
Pour tester leur nouvelle méthode, les chercheurs ont étudié une protéine bactérienne appelée AER, qui aide les bactéries d'E. Coli à sentir l'oxygène. L'AER travaille avec deux autres protéines, Chea et Chew, pour transmettre des signaux à travers la membrane. Bien que ces protéines aient été étudiées auparavant, c'était la première fois que les chercheurs pouvaient observer directement comment le récepteur AR se rassemble à l'intérieur d'une cellule vivante.
« Nous avons appris que l'ARA forme des assemblages d'ordre supérieur, des tableaux de molécules dans la membrane, qui fonctionnent ensemble pour amplifier les signaux », a déclaré Crane. « Ces architectures sont instables et ne se formeront pas en dehors des cellules. »
Avec l'ESR, l'équipe a mesuré la distance entre les deux flavines dans un dimère AER – des complexes de deux molécules protéiques identiques – avec une précision au niveau angstrom, confirmant non seulement la structure du dimère mais révélant également des assemblages plus grands qui se forment à l'intérieur des cellules.
Les chercheurs ont également développé une petite flavoprotéine d'ingénierie appelée ILOV, qui peut être génétiquement fusionnée à d'autres protéines pour les rendre visibles avec l'ESR. Cet outil agit comme une étiquette moléculaire, permettant aux scientifiques d'étudier la structure et le positionnement de presque toutes les protéines à l'intérieur d'une cellule vivante.
L'étude a également démontré que l'ESR, précédemment principalement limité aux protéines purifiées dans les tubes à essai, peut désormais être utilisée dans des systèmes vivants avec des détails remarquables.
« La spectroscopie ESR ne se limite pas à l'étude des molécules purifiées ou des systèmes reconstitués », a déclaré Crane.
L'équipe adapte maintenant la méthode à d'autres types de cellules, en particulier les cellules de mammifères, pour voir si elles peuvent suivre les processus dans des environnements plus complexes, a-t-il déclaré.
Les contributeurs à l'étude incluent Siddarth Chandrasekaran, Ph.D. '17; Robert Dunleavy, MS '19, Ph.D. '23; et Jack H. Freed, professeur émérite au Département de chimie et de biologie chimique (A&S).
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation, les National Institutes of Health, le Weill Institute for Cell and Molecular Biology et le National Biomedical Center for Advanced ESR Technologies.
