Une protéine, deux états activables par la lumière
Des chercheurs de Bochum et de Regensburg ont découvert qu'un canal ionique photosensible de l'algue Guillardia theta possède deux états activables par la lumière. Le deuxième état nouvellement découvert fait en sorte que le canal ionique puisse être rouvert particulièrement rapidement après avoir été fermé. Cela le rend intéressant pour l'optogénétique, un procédé par lequel les chercheurs contrôlent de manière ciblée l'activité des cellules nerveuses par la lumière.
L'équipe du Dr Kristin Labudda et du privat-docent Dr Carsten Kötting de la chaire de biophysique de l'université de la Ruhr à Bochum ainsi que le professeur Dr Till Rudack de l'université de Regensburg font état de leurs résultats dans la revue Communications Biology.
L'optogénétique a du potentiel en thérapie
Dans le cadre de l'optogénétique, certaines cellules nerveuses sont génétiquement modifiées pour produire des protéines sensibles à la lumière provenant d'autres organismes. Ensuite, l'activité des cellules nerveuses modifiées peut être contrôlée par la lumière. "Lorsque la lumière est dirigée sur ces protéines, elles modifient leur structure et activent ou inhibent ainsi les cellules", explique Till Rudack.
Depuis un certain temps, les chercheurs expérimentent également l'optogénétique pour le traitement de certaines maladies. "L'optogénétique est une nouvelle méthode prometteuse, par exemple pour le traitement de la maladie de Parkinson", explique Carsten Kötting. "Elle pourrait permettre de réactiver des cellules nerveuses endommagées dans le cerveau et de récupérer partiellement des capacités motrices". Mais le chemin est encore long avant que le procédé puisse éventuellement s'établir dans la pratique clinique quotidienne. C'est pourquoi des équipes du monde entier travaillent à mieux comprendre les protéines sensibles à la lumière et à identifier des candidats optimaux pour l'optogénétique.
Une protéine bien étudiée est le canal ionique GtACR1 de l'algue Guillardia theta, une soi-disant rhodopsine de canal, qui sert de capteur de lumière à l'algue. Lorsque GtACR1 est activée par la lumière, le pore du canal s'ouvre et les ions chargés négativement comme le chlorure passent à travers.
Un canal ionique particulièrement efficace
Dans l'étude actuelle, les chercheurs de Bochum et de Regensburg ont montré pourquoi GtACR1 est si efficace. Ils ont étudié le canal ionique à l'aide de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, qui permet de détecter les états structurels des protéines. Le groupe a ainsi démontré que GtACR1 possède deux états activables par la lumière : l'état de base connu et en plus un stade intermédiaire appelé O-intermédiaire. Dans l'obscurité, l'état de base est présent, à partir duquel le photocycle normal se produit lors de la première activation du canal par la lumière, comme c'est le cas pour d'autres rhodopsines de canal. Au cours de ce cycle, on passe par différents stades intermédiaires ou ce que l'on appelle les intermédiaires, qui se distinguent par leur structure et leur conductivité ionique. L'un d'entre eux est l'O-intermédiaire, qui précède l'état de base de plusieurs secondes. Cependant, grâce à la configuration du rétinal - le composant qui sert de capteur direct de lumière - présente dans l'intermédiaire O, celui-ci est activable par la lumière chez GtACR1, contrairement aux autres rhodopsines de canal.
"Le deuxième état activable par la lumière que nous avons découvert fait en sorte que le canal puisse être rouvert particulièrement rapidement, ce qui augmente considérablement sa conductivité ionique", explique Kristin Labudda. Pour l'application en optogénétique, la conductivité ionique plus élevée signifie qu'il est possible de réagir très précisément aux stimuli et de cibler les cellules de manière plus précise. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour les applications optogénétiques. "Avec notre travail, nous avons découvert pour la première fois une rhodopsine de canal avec plusieurs états activables par la lumière", résume Carsten Kötting. "Il devrait être possible de créer d'autres états activables par la lumière pour d'autres rhodopsines de canal par des mutations et d'augmenter ainsi leur efficacité. Ces découvertes peuvent ouvrir la voie à des outils encore plus efficaces en optogénétique - avec des perspectives prometteuses pour la recherche et la médecine".
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