Bricoler les mécanismes d'horlogerie de la vie

Les organismes vivants surveillent le temps et y réagissent de multiples façons de manière extrêmement bien chronométrée. D’un côté, ils arrivent par exemple à détecter et à réagir à la lumière et au son en quelques microsecondes tandis que, de l’autre, la détection de certains signaux provoque des réponses physiologiques programmées sur une bien plus longue échelle de temps. On peut penser ici aux signaux qui enclenchent le cycle quotidien du sommeil, le cycle menstruel mensuel ou les réponses aux changements saisonniers.

Cette capacité à réagir à différentes échelles de temps est rendue possible grâce à des commutateurs moléculaires – ou nanomachines – qui agissent comme des minuteurs programmés pour que des fonctions s’activent et se désactivent en réponse à l’environnement et au temps.

Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society le 19 décembre, des scientifiques de l’Université de Montréal ont recréé et validé avec succès deux mécanismes biochimiques distincts permettant de programmer les vitesses d’activation et de désactivation des nanomachines chez les organismes vivants sur plusieurs échelles de temps.

Leurs résultats permettraient d’exploiter ces processus naturels pour améliorer la nanomédecine et d’autres technologies tout en aidant à expliquer l’évolution de la vie.

Construire une «nanoporte» avec l’ADN

Pour élucider le mystère de ces mécanismes, les chercheurs ont recréé une «porte» moléculaire simple en utilisant de l’ADN. Bien que principalement connu pour son rôle dans le codage génétique, l’ADN est également exploité par des bio-ingénieurs pour fabriquer des objets à l’échelle nanométrique grâce à sa chimie programmable et polyvalente.

«Comparé aux protéines, l’ADN est comme des blocs LEGO qui nous permettent de construire ce que nous imaginons à l’échelle nanométrique», dit Dominic Lauzon, chercheur associé et coauteur de l’étude.

En utilisant cette approche, les chercheurs ont conçu une porte de cinq nanomètres qui peut être ouverte à partir des deux mécanismes biochimiques distincts, ce qui leur permet de comparer directement leur efficacité et la manière de les programmer. Par exemple, le mécanisme de l’ajustement induit – grâce à la poignée – permet l’ouverture et la fermeture de la porte jusqu’à 1000 fois plus rapidement que le mécanisme de la sélection conformationnelle, soit des minutes contre des jours.

L’équipe de recherche a aussi montré que ces mécanismes peuvent être utilisés pour programmer des systèmes nanotechnologiques dans divers domaines, notamment pour la libération contrôlée de médicaments. Ainsi, «en concevant une poignée moléculaire, nous avons créé une nanomachine permettant une libération rapide et immédiate d’un médicament par le simple ajout d’une molécule activatrice, indique Achille Vigneault, étudiant de maîtrise en génie biomédical à l’UdeM et coauteur de l’étude. Et en l’absence de poignée, nous avons également conçu une nanomachine programmable offrant une libération plus lente et continue du médicament après son activation».

Ces résultats démystifient les rôles évolutifs distincts et les avantages des deux mécanismes de signalisation et expliquent pourquoi certaines protéines ont évolué pour être activées par un mécanisme plutôt qu’un autre, précisent les chercheurs.

«Prenons les récepteurs cellulaires qui permettent de détecter la lumière ou de percevoir des odeurs: ils bénéficient probablement d’un mécanisme d’ajustement induit rapide, souligne Alexis Vallée-Bélisle. En revanche, des processus qui s’étendent sur plusieurs heures, comme les cycles quotidiens, devraient tirer avantage du mécanisme plus lent de la sélection conformationnelle.»