Des protéines photosensibles pour «allumer les muscles»

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Une équipe de chercheurs russes en biologie moléculaire a découvert et étudié une protéine photosensible qui, une fois introduite dans des cellules musculaires, permet de les contrôler au laser, annonce un article publié par la revue Science Advances.

«Actuellement, nous disposons de toutes les informations-clés concernant les mécanismes de fonctionnement de la protéine. Elles serviront de fondement à nos recherches futures pour l'optimisation et l'adaptation des caractéristiques de la protéine aux besoins de l'optogénétique», explique Vitali Chevtchenko, premier auteur de l'étude du Laboratoire des recherches perspectives des protéines membranaires de l'Institut de physique et de technologie de Moscou.

Les scientifiques s'intéressaient depuis longtemps à la possibilité de contrôler les neurones de manière ponctuelle. Cette idée n'a pourtant été mise en œuvre qu'en 2005 quand un groupe de chercheurs de l'Université Stanford mené par Karl Deisseroth a réussi à modifier les neurones à l'aide de l'ingénierie génétique et à inciter ces cellules en les soumettant à la lumière. Cette méthode a été baptisé l'«optogénétique».

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Depuis, les biologistes ont créé plusieurs autres modèles d'optogénétique capables de travailler avec d'autres types de lumière ou des formes tout à fait différentes de rayonnement. Par exemple, les scientifiques de l'Institut de la chimie bioorganique de l'Académie des sciences de Russie et de l'Université d'État de Moscou ont créé en mai dernier une version «thermique» de l'optogénétique inspirée des gènes des serpents, qui cherchent leur proie à l'aide d'une forme biologique de caméra thermique.

Chevtchenko et ses collègues ont fait le premier pas pour élargir la collection de ces méthodes de «gestion directe» du système nerveux en étudiant la structure des protéines photosensibles récemment découvertes dans les microorganismes de type Anabaena et certains autres types apparentés. Selon les scientifiques, ces bactéries utilisent ces molécules afin de sentir si elles se trouvent sous les rayons du Soleil pour lancer la production de la molécule protégeant l'ADN de ces organismes contre le rayonnement ultraviolet.

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La structure de ces protéines, baptisées xénorhodopsines, diffère considérablement de celle des autres molécules bactériennes utilisées dans l'optogénétique, ce qui a suggéré aux scientifiques la possibilité de les utiliser à d'autres fins, notamment «allumer» et «éteindre» les neurones.

Qui plus est, ces différences de structure entre les xénorhodopsines et les rhodopsines «ordinaires» peuvent se répercuter de manière négative sur la vie des cellules auxquelles elles sont intégrées. Il faut donc tenir compte de ce fait avant de lancer la procédure. Chevtchenko et d'autres chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, de l'Institut de biologie structurelle et du Centre de recherches de Jülich ont mené une analyse détaillée d'une de ces protéines, NsXeR, pour trouver les réponses à ces deux questions.

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Il s'est avéré que NsXeR pouvait être utilisée non seulement pour manipuler le fonctionnement du cerveau, mais aussi pour contrôler les muscles. Comme l'ont démontré des expériences utilisant des cellules de l'homme et du rat, cette substance n'empêche en aucune façon le travail des canaux calciques qui jouent un rôle décisif dans la contraction des muscles. Cela constitue un avantage par rapport à beaucoup d'autres protéines photosensibles utilisées aujourd'hui dans l'optogénétique.

Selon les chercheurs, NsXeR pompe les protons dans une seule direction, ce qui empêche les ions de pénétrer dans la cellule s'il existe un environnement favorable. Cela permet de contrôler le fonctionnement des cellules musculaires de manière très souple et précise dans un diapason plus large de conditions et de variables par rapport aux expériences ordinaires d'optogénétique.

Les scientifiques espèrent que ces données recueillies sur le fonctionnement de NsXeR aideront non seulement à l'adapter aux expériences, mais aussi à comprendre quel rôle cette protéine, qui n'a qu'une seule fonction «inutile», joue pour la bactérie primitive au sein de laquelle elle a été découverte.

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