Les condensats biomoléculaires révèlent une activité surprenante en tant que catalyseurs
Des chercheurs découvrent des « condenzymes » qui jouent un rôle dans les fonctions biochimiques des cellules
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Les condensats biomoléculaires sont omniprésents dans les cellules vivantes, qu’il s’agisse de bactéries, de virus, de plantes ou de mammifères. Ces structures dépourvues de membrane, ou communautés moléculaires composées d’ADN, d’ARN et de protéines, constituent le lieu où les molécules, grandes et petites, présentes au sein de la cellule se rassemblent pour coordonner diverses réactions biochimiques.
La séparation de phases, processus par lequel les molécules se séparent du milieu cellulaire à la manière de l’huile et de l’eau, est le moteur de la formation de condensats biomoléculaires de composition distincte. La plupart des chercheurs se sont concentrés sur les protéines et les acides nucléiques, qui stockent, transmettent et expriment l’information génétique dans les cellules vivantes, ainsi que sur leur rôle dans la formation des condensats.
De nouveaux travaux menés par Yifan Dai, maître de conférences, et Rohit V. Pappu, titulaire de la chaire Gene K. Beare, tous deux rattachés au département de génie biomédical et au Centre des condensats biomoléculaires de la McKelvey School of Engineering de l’université de Washington à Saint-Louis, les ont amenés à découvrir des « condenzymes », c’est-à-dire des activités catalytiques inhérentes aux condensats, bien que ces derniers ne possèdent pas les composants nécessaires pour agir eux-mêmes en tant que catalyseurs. Le regroupement des molécules par séparation de phases donne naissance à une propriété émergente leur permettant de fonctionner comme des catalyseurs.
Les chercheurs des laboratoires de Dai et de Pappu ont montré que les condensats formés par des protéines intrinsèquement désordonnées peuvent générer des champs électriques à leur surface, qui catalysent des réactions telles que l’estérolyse, qui scinde les esters en un acide et un alcool, et l’hydrolyse, où l’eau est utilisée pour rompre des liaisons chimiques.
En collaboration avec des collègues des universités de Columbia, Stanford et Harvard, les chercheurs ont démontré que la combinaison du champ électrique de surface et des modifications fondamentales des propriétés des molécules d’eau aux interfaces des condensats contribue à la capacité de ces derniers à agir comme catalyseurs. De plus, ils ont démontré que ces condensats, qui fonctionnent comme des « condenzymes », peuvent catalyser l’hydrolyse d’une grande variété de composés, ce qui permet la dégradation des acides nucléiques, ainsi que l’hydrolyse de l’adénosine triphosphate (ATP), qui transporte l’énergie au sein des cellules.
« Ces condenzymes catalysent l’hydrolyse d’un ensemble varié de molécules », a déclaré Dai. « Cette capacité unique des condensats s’est avérée valable dans les cellules bactériennes, ce qui modifie notre conception de la manière dont le paysage biochimique s’établit dans les cellules vivantes. »
Dai et Pappu ont expliqué que leur collaboration avait permis d’allier l’expertise en électrochimie du laboratoire de Dai à celle en modélisation informatique et en biochimie du laboratoire de Pappu, en s’appuyant sur les travaux antérieurs menés dans les deux laboratoires.
« Nous voyons dans ces résultats le signe d’une révolution potentielle, car nous disposons désormais d’un nouvel archétype de catalyseurs à prendre en compte lorsque l’on réfléchit aux réactions biochimiques au sein des cellules », a déclaré Pappu.
Dai et Pappu ont posé les bases de ces résultats au cours des dernières années. Le laboratoire de Dai a récemment découvert que les condensats biomoléculaires jouent le rôle d’enzymes dans le cycle métabolique des cellules. Dans un article publié en 2023 dans la revue *Chem*, Dai et ses collègues ont rapporté que l’interface des condensats biomoléculaires possède un potentiel électrique et que le champ électrique interfacial peut déclencher des réactions d’oxydoréduction. Le laboratoire de M. Pappu a montré que les condensats naturels, tels que les nucléoles, sont définis par des gradients de pH, et que les condensats, bien qu’il s’agisse de structures dépourvues de membrane, sont caractérisés par des potentiels de type membranaire. La découverte des « condenzymes » marque une nouvelle ère dans la compréhension, qui progresse rapidement, des fonctions des condensats.
Les fonctions des condensats ont fait l’objet de débats, a déclaré Pappu, ce qui a conduit certains à suggérer que les condensats pourraient n’être que des éléments passifs au sein des cellules. Ces résultats remettent en cause cette hypothèse, a-t-il ajouté.
« Il en résulte que soit les cellules ont dû développer des mécanismes pour exploiter les fonctions catalytiques inhérentes aux condenzymes, soit elles ont dû mettre en place des mécanismes qui atténuent ces fonctions », a déclaré Pappu. « Dans tous les cas, ces découvertes modifient notre conception des condensats dans les cellules vivantes, car leurs implications pour la physiologie cellulaire, les maladies telles que le cancer et la neurodégénérescence, ainsi que pour le domaine de la biologie synthétique, sont susceptibles d’être considérables. »
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