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Propriétés physiques des membranes biologiques : nouvelle approche, nouvelles perspectives
Les cellules, unités constitutives et fonctionnelles de tout être vivant, sont délimitées par une membrane qui, de la bactérie à l’être humain, a une structure très conservée : une fine double couche de lipides, incluant diverses protéines. Plusieurs équipes(*) du CNRS, du CEA et de l'Université de Strasbourg, ont développé un système modèle original permettant de reproduire et d’étudier les propriétés de ces bicouches de lipides. Leurs résultats viennent d’être publiés dans PNAS.
Il est facile de reproduire en laboratoire les structures de type bicouche phospholipidique, puisque les phospholipides ont la capacité de s'auto-assembler dans l'eau pour former de telles doubles couches (~5 nm d’épaisseur). Pourtant les propriétés physiques de ces bicouches, en particulier leur façon d’interagir avec leur environnement, ne sont pas complètement comprises.
Afin d’appréhender ces interactions, sur lesquelles reposent notamment des mécanismes biologiques fondamentaux (fusion membranaire, endocytose…), les scientifiques conçoivent depuis maintenant une cinquantaine d’années des systèmes visant à mimer au plus près les conditions biologiques. L’un des systèmes principalement étudié se compose d’un empilement de plusieurs centaines de bicouches de phospholipides. Il a permis de faire de grandes avancées dans la connaissance de la structure des membranes mais, de par sa conception, il ne permet pas l’étude des propriétés d’une membrane unique.
Pour accéder à ces propriétés, plusieurs équipes du CNRS, du CEA et de l'Université de Strasbourg ont développé un système modèle original. Il consiste en une première bicouche dite flottante, pratiquement libre de fluctuer au-dessus d’une seconde bicouche supportée, c’est-à-dire fortement adsorbée -donc immobilisée- sur un substrat solide. Cette « double membrane » a ensuite été soumise aux puissants rayons X du synchrotron européen ESRF, livrant des informations inédites sur les propriétés mécaniques des membranes aux petites échelles : tension de surface, module de courbure, importance des interactions électrostatiques.
Grâce à la technique employée (diffusion X en incidence rasante) les chercheurs ont en effet pu analyser de quelle façon les rayons X étaient diffusés par les mouvements de la membrane flottante, ciblée par le faisceau de photons. Ceci a permis de caractériser précisément les fluctuations de la membrane, ces mouvements d’agitation aléatoire, liés à la température, qui sont à la base de la plasticité membranaire. Les résultats obtenus ont confirmé la pertinence de ce nouveau modèle : le système de bicouche « flottante » s’est révélé plus hydraté que les empilements multilamellaires, donc plus apte à permettre une étude fine des fluctuations. Fluctuations dont il va à présent être plus facile de comprendre le rôle, jusqu’alors mal décrit, dans les interactions entre membranes.
Ces résultats montrent que ce système ouvre de nombreuses perspectives pour l'étude de propriétés plus complexes des membranes : déstabilisation par un champ électrique, activation des fluctuations par des protéines... De plus, ils offrent des perspectives intéressantes de confrontation avec les simulations numériques sur les membranes, domaine de recherche en fort développement depuis une dizaine d'années.
(*) Institut Charles Sadron (CNRS), Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (CNRS / CEA), Institut Laue-Langevin, Synchrotron SOLEIL
© Arnaud Hemmerle
Référence
Arnaud Hemmerle, Linda Malaquin, Thierry Charitat, Sigolène Lecuyer, Giovanna Fragneto, Jean Daillant
Controlling interactions in supported bilayers from weak electrostatic repulsion to high osmotic pressure
Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 4 décembre 2012, 109(49), 19938.
Contact chercheur
Arnaud Hemmerle, Institut Charles Sadron – Strasbourg
Courriel : arnaud.hemmerle@ics-cnrs.unistra.fr
Tél : 03 88 41 41 78
Contacts institut
Christophe Cartier dit Moulin,Jonathan Rangapanaiken
11 février 2013
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