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Article. L’auto-organisation des protéines dans les bactéries
par Jean-Paul Baquiast 03/06/2009


Image tirée à titre documentaire de l'article de PLoS biology cité ci-dessous
fig 1 Membrane receptor clusters transduce chemotatic signals.

Chaque jour nous semble-t-il de nouvelles expérimentations scientifiques paraissent confirmer la pertinence de la théorie de l’ontophylogenèse due à Jean-Jacques Kupiec, à laquelle nous avons souvent fait référence sur ce site.

La revue américaine ScienceDaily en donne une nouvelle démonstration. Le rédacteur de l’article (voir référence * ci-dessous) rappelle que la nature a réalisé depuis des millions d’années des procédures d’auto-assemblage et d’auto-organisation spontanées, du type de celles que les spécialistes des nanotechnologies s’efforcent aujourd’hui de mettre au point à partir de composants non biologiques. D’où l’intérêt, souligne-t-il, des expériences rapportées.

Une équipe du laboratoire Berkeley de l’université de Californie, du Howard Hughes Medical Institute et de l’Université de Princeton vient de montrer, notamment dans un article publié par PLoS Biology (voir ci-dessous) comment, au sein de cellules bactériennes procaryotes (sans noyaux) des milliers de protéines constitutives de leurs membranes s’assemblent en réseaux (clusters). Ceux-ci pilotent les déplacements de la cellule grâce auxquels elle se procure dans son environnement les composants chimiques nécessaires à son développement. Les observations réalisées ont montré comment des processus périodiques complexes peuvent être générés et au besoin réparés au sein des systèmes biologiques sans résulter de la mise en œuvre d’un plan d’ensemble préalable.

Renvoyons aux articles pour la description de l’instrument (PALM pour Photo-Activated Localization Microscopy) utilisé pour ces observations. Les cellules observées sont celles de la très commune bactérie Escherichia Coli. Les chercheurs ont montré que des clusters de protéines se formaient spontanément en son sein selon un processus qu’ils ont qualifié d’auto-assemblage stochastique, sans que rien de préalable n'ait déterminé à l’avance l’affectation de ces protéines dans des sites spécifiques au sein de la cellule. Pour eux, il s’agit de l’application d’un mécanisme décrit en 1952 par Alain Turing sous le nom de "self-organizing patterns ».

Il faut rappeler que le développement et la survie des organismes monocellulaires à noyau (eucaryotes) supposent qu’ils accèdent facilement aux composants indispensables présents dans leur environnement, protéines, lipides, acides nucléiques. Pour cela, ces cellules se sont progressivement dotées d’organites spécialisés connus depuis longtemps, peut-être acquis par symbiose avec des virus. Mais la même exigence d’accès aux nutriments s’impose aux procaryotes (sans noyau et sans organites), tels que E.Coli. La façon dont ces derniers procèdent n’était pas décrite clairement jusqu’à ce jour. Or il est apparu que, loin de mettre en œuvre un programme préexistant rigoureux, des bactéries individuelles apparemment identiques se dotent à cette fin d’organisations internes différentes, selon des processus eux-mêmes différents dans le détail.

Les observations ont porté sur le réseau de protéines déjà bien étudié dit « chemotaxis network » par lequel les bactéries identifient dans leur environnement les composés dont elles ont besoin puis se dirigent vers eux. Les chercheurs savaient que ce réseau s’organise dans l’espace de la membrane de la cellule de façon de façon périodique et non aléatoire. Mais à la suite de quel processus ? Autrement dit, comment se forme le réseau, comment la cellule contrôle-t-elle sa taille et la densité des protéines, comment cette organisation se maintient-elle lorsque la cellule grandit et se divise ?

L’observation de 326 cellules impliquant 1 million d’exemplaires des 3 principales protéines (Tar, CheY et CheW ) participant au chemotaxis network de ces cellules a montré qu’aucune distribution spécifique caractéristique n’apparaissait, au contraire de ce que l’on supposait. La distribution résulterait d’interactions aléatoires entre protéines, suffisantes pour générer les patterns complexes et ordonnés observés. Les chercheurs considèrent qu’ils ont mis ainsi à jour un mécanisme simple d’assemblage sur le mode stochastique. Ils s’attendent à le retrouver partout ailleurs, aussi bien dans les cellules procaryotes qu’eucaryotes. Ce processus intervient sans implication du cytosquelette ou de mécanismes chimiques internes de transport.

Leur objectif est désormais d’en identifier d’autres exemples dans la nature. Comme les systèmes biologiques sont si l’on peut dire des précurseurs des futurs systèmes à base de nanotechnologies, il leur parait important de montrer que l’auto-organisation stochastique est capable d’assembler des milliers de protéines en patterns complexes reproductibles. Les applications en seront nombreuses, notamment pour développer des circuits électroniques.

Ajoutons pour notre part que, comme l’a remarqué Jean-Jacques Kupiec dans son ouvrage « L’origine des individus », parler de l’émergence d’un processus stochastique d’auto-organisation ne suffit pas. Il faut montrer comment ce processus donne naissance à des produits ordonnés, ceux-là et pas d’autres. Pour cela il faut se replacer dans ce que Kupiec a nommé le darwinisme cellulaire, c’est-à-dire la compétition darwinienne entre cellules, sanctionnée par la sélection des individus cellulaires comportant les solutions d’organisation les plus aptes à la survie. On pourra alors parler, non pas d’auto-organisation mais d’hétéro-organisation, le milieu (hétéro) où doivent survivre les cellules jouant le rôle de filtre sélectif. Mais, en se plaçant au palier antérieur de compétition, celui où s’affrontent les protéines du chemotaxis network, on observe le même processus de darwinisme, sélectionnant les protéines les plus aptes à constituer des réseaux efficaces. Plus en amont encore, au niveau du génome de E. Coli, on devrait retrouver ce même processus de sélection darwinienne portant sur les produits divers résultant de l'expression stochastique des gènes. Il s'agira d'un argument de plus pour tenter d'appliquer ces observations en vue de réaliser des entités « biologiques artificielles » faites de nanocomposants.

* Les études présentées ont été financées par le U.S. Department of Energy (Office of Science), l’Energy Biosciences Program, les Sloan and Searle Foundations et finalement les National Institutes of Health.

** Voir sur un thème voisin notre brève d'actualité: Les différentes cellules d'un même organisme n'ont pas nécessairement le même ADN

Pour en savoir plus
Article de ScienceDaily
http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090708132820.htm
Article dans PLOS Biology (réservé aux spécialistes)
Self-Organization of the Escherichia coli Chemotaxis Network Imaged with Super-Resolution Light Microscopy
http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?artid=2691949
The chemotaxis network (réservé aux spécialistes)
http://boulder.research.yale.edu/Boulder-2007/Lectures/Wingreen/Chemotaxis_Boulder.pdf


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