Section 20 Biologie moléculaire et structurale, biochimie

I. Dynamique, flexibilité, et interactions des protéines

A. Dynamique, flexibilité

La nature dynamique des protéines est une propriété intrinsèque ayant des conséquences majeures sur leur fonction. De nos jours, les protéines sont considérées comme des acteurs de réseaux fluctuant, avec une flexibilité locale et une propension à la plasticité structurale globale. De manière générale, les interactions protéine-ligand (protéines, acides nucléiques, lipides...) impliquées dans la transduction du signal, l'assemblage de machines macromoléculaires, la régulation allostérique et l'adaptation thermique des enzymes requièrent une flexibilité structurale. La compréhension détaillée de la dynamique des protéines, qui nécessite des informations sur une large gamme d'échelles de temps, a été rendue possible grâce au développement d'approches interdisciplinaires associant biologistes, chimistes, physiciens et bioinformaticiens. Le prochain défi sera le développement d'une vision intégrée de la structure des protéines, de leur dynamique et de leur fonction. L'impact des fluctuations thermodynamiques dues au solvant sera à prendre en compte. Cette intégration est indispensable à la compréhension des mécanismes biologiques à l'échelle atomique. Dans ce contexte, les enzymes constituent une classe attractive de protéines et elles sont utilisées comme des systèmes modèles pour comprendre les incidences des fluctuations des structures sur les fonctions biologiques. La flexibilité du site actif est actuellement considérée comme essentielle pour la réduction des barrières d'énergie libre et l'accélération de la réaction enzymatique bien que le lien entre la flexibilité et le « turn-over » n'ait pas été clairement établi. En revanche, le rôle de la flexibilité conformationnelle a été clairement établi pour l'accessibilité du site actif, la liaison et l'orientation des ligands et la libération de produits, la stabilisation des intermédiaires et l'adaptation de l'environnement du site actif pour la catalyse. Une vision intégrée de la structure des enzymes, de leur dynamique et de leur fonction sera nécessaire au décryptage des effets allostériques et coopératifs mais aussi à la conception de catalyseurs plus efficaces. Avec l'importance croissante de la biotechnologie industrielle et les besoins en enzymes de transformation pour la production de produits chimiques ou de nouveaux médicaments, la conception rationnelle de nouveaux catalyseurs par ingénierie enzymatique constitue un défi majeur à relever. Toutefois, à l'heure actuelle, la flexibilité et les mouvements moléculaires ne sont pas encore suffisamment pris en compte. L'intégration de la composante dynamique dans les modèles moléculaires permettra d'augmenter les capacités de construction par ingénierie de nouvelles protéines dotées de nouvelles fonctions.

B. Interactions, complexes et machineries protéiques

Les interactions entre protéines régulent la quasi-totalité des processus essentiels à la vie des cellules, incluant la transduction du signal, les métabolismes, les catalyses et l'expression des gènes. Ces interactions de physico-chimie, temporalité et fonction extrêmement diverses, forment un réseau dynamique appelé « interactome ». Dans ce domaine, les mécanismes mis en jeu au cours de l'assemblage des complexes protéiques restent encore peu décrits. Il sera donc important d'identifier les différents acteurs responsables des genèse, fonction, plasticité, dissociation de ces assemblages et de caractériser la dynamique de leur relation. La compréhension de l'organisation structurale de ce type de machinerie passe par la modélisation en intégrant des données de diverses approches expérimentales (microscopie électronique, RMN, cristallographie aux rayons X, protéomique, SAXS, etc.) afin de construire un ensemble de modèles structuraux répondant aux contraintes expérimentales générées. Plus globalement, il est important de connaître qui interagit avec qui au niveau de la cellule et d'analyser les mécanismes moléculaires impliqués dans ces interactions. La mise en évidence récente d'un nombre élevé de protéines multifonctionnelles souligne l'importance de décrypter ces réseaux d'interactions et leurs bases moléculaires afin de mieux comprendre le fonctionnement des cellules et d'envisager un contrôle des voies métaboliques à des fins thérapeutiques ou environnementales.

La caractérisation du génome entier, du protéome ou du transcriptome ouvre la voie à des projets beaucoup plus ambitieux visant à comprendre au niveau moléculaire le fonctionnement global d'une cellule. Cela implique de pouvoir combiner différents paramètres cinétiques et/ou thermodynamiques avec des mesures à l'échelle du génome par modélisation mathématique dynamique afin de favoriser une compréhension approfondie des mécanismes complexes sous-jacents. De toute évidence, obtenir une compréhension complète du comportement de toutes les interactions qui se produisent au sein d'une cellule, par exemple, est extrêmement ambitieux et nécessite non seulement une approche descriptive, mais aussi quantitative de ces nœuds. Il est donc évident que de nouvelles approches expérimentales et informatiques devront être développées pour faire face à ce degré de complexité.

C. Protéines membranaires

Les protéines membranaires constituent entre 25 et 33 % du protéome de chaque cellule et jouent un rôle primordial dans différents processus biologiques (transport, énergie, reconnaissance). Leur étude fonctionnelle et structurale reste un enjeu majeur pour la compréhension des mécanismes moléculaires et cellulaires au niveau des membranes. Le développement de nouveaux surfactants (e.g. maltose néopentyl glycols, amphipols, peptitergents, tensioactifs fluorés...) plus efficaces pour solubiliser et cristalliser les protéines membranaires et de nouvelles méthodes pour appréhender leur structure tridimensionnelle (phase cubique lipidique et phase éponge, RPE de type « DEER », RMN du solide) ou leur fonction (nanodisques) a ouvert la voie à une meilleure connaissance de ces protéines. Il reste donc indispensable de développer cet axe stratégique et interdisciplinaire source de connaissance et d'innovations technologiques tant en santé qu'en biotechnologies blanches (environnement, énergie).

Un axe majeur de la recherche porte sur le rôle que jouent les lipides associés à ces protéines. Longtemps considérés comme un simple « solvant » des protéines membranaires, ils sont maintenant reconnus comme des composants à part entière de ces protéines où ils assurent non seulement un rôle structural mais également biologique comme co-facteurs pour des activités enzymatiques ou de messagers intracellulaires. Cela a été démontré récemment dans des systèmes d'études aussi différents que les GPCR ou encore le complexe photosynthétique. Leur hétérogénéité de distribution, tant transverse que latérale, est responsable de la courbure et de la dynamique membranaires et par conséquent impliquée dans la dynamique cellulaire (signalisation, transport, architecture, etc.). Mais ces interactions ne sont pas encore bien comprises : sont-elles spécifiques et impliquent-elles une interaction directe avec la protéine ou sont-elles plutôt liées à un changement physicochimique de la membrane entourant la protéine ? Une meilleure connaissance de ces interactions permettra de mieux comprendre au niveau moléculaire le fonctionnement et la régulation des protéines membranaires.