Des chercheurs résolvent un mystère vieux de 50 ans : comment l'acide élimine l'eau des protéines

Les protéines sont les machines d'une cellule, contrôlant tous les processus vitaux d'un organisme, de la croissance au métabolisme. Leur fonction dépend en grande partie de leur structure spatiale. Les protéines sont enveloppées d'une coque de molécules d'eau qui, à son tour, contribue à déterminer leur forme et leur fonction. Cependant, jusqu'à présent, l'interaction précise entre les protéines, les molécules d'eau et leur environnement était peu connue. "Dès 1974, Irwin Kuntz et Walter Kauzmann avaient émis l'hypothèse que la diminution du pH - en d'autres termes, l'augmentation de l'acidification - modifiait la coquille d'hydratation d'une protéine. Cependant, il n'existait aucune preuve directe de cette hypothèse", explique le professeur Panagiotis Kastritis, biochimiste à la MLU.

Dans cette nouvelle étude, l'équipe de Kastritis a utilisé la microscopie électronique cryogénique à haute résolution (cryo-EM) pour étudier ce processus en détail. Au cours de la cryomicroscopie électronique cryogénique, les protéines sont congelées et bombardées par un faisceau d'électrons. Le signal qui en résulte peut être utilisé pour créer des images extrêmement détaillées qui peuvent être combinées pour produire des modèles en 3D. La structure de la protéine a ainsi été révélée au niveau de quelques atomes seulement. Les chercheurs ont étudié la protéine apoferritine qui agit comme une unité de stockage du fer dans les cellules. Ils l'ont observée à sept niveaux de pH différents allant de 9,0 (légèrement alcalin) à 3,5 (acide). À l'aide de la cryo-EM, ils ont cartographié individuellement des milliers de molécules d'eau et suivi leur comportement au fur et à mesure que l'acidité augmentait. Les expériences ont été accompagnées de simulations informatiques qui ont corroboré le comportement observé.

"Nos données nous ont permis de suivre le mouvement de chaque molécule d'eau et d'observer comment elle se déplaçait en réponse aux changements de pH. Nous avons été surpris de constater qu'il existait des règles claires : certains acides aminés fixent l'eau, tandis que d'autres la libèrent. Nous ne nous attendions pas à un tel résultat", explique le Dr Ioannis Skalidis, qui a obtenu son doctorat à la MLU et travaille aujourd'hui comme chercheur à l'université d'Utrecht. Le Dr Farzad Hamdi, de la MLU, ajoute : "Nous sommes le premier groupe à réussir : "Nous sommes le premier groupe à réussir à fournir cette preuve à un tel niveau de détail mécanistique. Certes, il s'agit d'une vieille théorie, mais il n'y a jamais eu de preuves directes à ce sujet.

D'autres résultats sont également étonnamment précis : une protéine perd environ 100 molécules d'eau pour chaque unité de diminution du pH. Les chercheurs ont même pu décrire le comportement des différents acides aminés qui composent les protéines. Le glutamate et l'aspartate sont les premiers à libérer leurs molécules d'eau lorsqu'ils sont acidifiés. D'autres conservent les molécules quelle que soit la valeur du pH, de sorte qu'un noyau interne stable, composé d'environ 40 % du nombre total de molécules d'eau, est maintenu quel que soit le niveau de pH.

Autre constatation inattendue : Lorsque le pH diminue, non seulement l'enveloppe d'hydratation de l'apoferritine change, mais aussi la position des ions de fer liés. Ceux-ci s'éloignent progressivement de leur site de liaison. Cela prouve l'existence d'un mécanisme structurel par lequel l'augmentation de l'acidité peut déclencher la libération d'ions métalliques des protéines - un processus qui joue un rôle, par exemple, dans la régulation du fer cellulaire.

D'autres études sont nécessaires pour déterminer si les règles identifiées dans l'étude s'appliquent également à d'autres protéines. "Nous supposons que ce processus est, au moins, similaire pour d'autres protéines. Ces connaissances peuvent être utilisées pour développer des protéines plus stables ou plus tolérantes au pH", explique Kastritis. Cela pourrait permettre d'améliorer les enzymes industrielles ou les systèmes d'administration de médicaments à base de protéines.

L'étude a été financée par l'Union européenne, la Fondation allemande pour la recherche (DFG), le ministère fédéral de la recherche, de la technologie et de l'espace (BMFTR) et le Land de Saxe-Anhalt.