Une toxine dangereuse transformée en biocapteur

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Une toxine dangereuse transformée en biocapteur

Certaines bactéries sécrètent une toxine, l’aérolysine, qui forme des pores sur d’autres cellules. Des scientifiques de l’EPFL ont étudié cette toxine porogène et l’ont modifiée génétiquement pour l’utiliser comme capteur haute-résolution pour des molécules biologiques telles que l’ADN et des protéines.

Image: Simulation moléculaire d’un pore d’aérolysine modifiée (bleu clair) intégré dans une bicouche membranaire (couleur crème) et transloquant de l’ADN (rouge). Crédit: Chan Cao, EPFL

Certains types de bactéries sont capables de tuer d’autres cellules en les perforant. Pour ce faire, elles sécrètent des protéines spécialisées appelées «toxines formant des pores» (PFT pour pore-forming toxin), qui s’accrochent à la membrane cellulaire et forment une structure tubulaire qui la traverse. Ce trou à travers la membrane est appelé «pore». Perforée par de multiples PFT, la cellule cible s’autodétruit.

Cependant, les PFT ont suscité un grand intérêt, qui dépasse le cadre des infections bactériennes. Les pores de dimension nanométrique qu’ils forment sont utilisés pour détecter des biomolécules: une molécule biologique, par exemple de l’ADN ou de l’ARN, traverse un nanopore telle une ficelle dirigée par une tension, et ses composantes individuelles (p. ex. les acides nucléiques dans le cas de l’ADN) émettent des signaux électriques distincts qui peuvent être déchiffrés. En fait, la détection par les nanopores est déjà un outil important employé pour le séquençage de l’ADN et de l’ARN.

Des scientifiques dirigés par Matteo Dal Peraro de l’EPFL ont étudié une PFT majeure qui s’avère efficace pour effectuer des détections plus complexes, notamment pour le séquençage de protéines. Leur travail a été publié dans Nature Communications. Cette toxine, l’aérolysine, est produite par la bactérie Aeromonas hydrophila. Elle est «fondatrice» d’une grande famille de PFT que l’on retrouve dans de nombreux organismes.

Un des principaux avantages de l’aérolysine, c’est qu’elle forme des pores très étroits qui permettent de distinguer des molécules avec une résolution bien plus élevée que ce que permettent d’autres toxines. Si des études antérieures ont montré que l’aérolysine pouvait être utilisée pour détecter plusieurs biomolécules, le rapport entre la structure de la toxine et ses capacités de détection moléculaire n’a quasiment pas été étudié.

Les chercheurs ont d’abord utilisé un modèle structurel de l’aérolysine pour étudier sa structure au moyen de simulations par ordinateur. L’aérolysine, qui est une protéine, est constituée d’acides aminés. Le modèle a aidé les scientifiques à comprendre comment ces derniers influencent la fonction générale de la toxine.

Une fois qu’ils ont saisi cette relation, les chercheurs ont commencé à changer stratégiquement différents acides aminés dans leur modèle informatique. Celui-ci a alors prédit l’impact potentiel de chaque changement sur la fonction globale de l’aérolysine.

A la fin de ce processus computationnel, le Dr Chan Cao, auteur principal de ce travail, a créé seize pores d’aérolysine «mutante», génétiquement modifiée. Il les a intégrés dans une bicouche lipidique pour simuler leur position dans une membrane cellulaire et a procédé à diverses mesures (enregistrement monocanal et expériences de translocation moléculaire) pour comprendre comment la conductance ionique, la sélectivité ionique et les propriétés de translocation du pore de l’aérolysine sont régulées au niveau moléculaire.

Cette démarche a permis aux chercheurs de trouver finalement quel est le moteur de la relation entre la structure et la fonction de l’aérolysine: son chapeau. Le pore de l’aérolysine n’est pas formé seulement d’un tube qui traverse la membrane, mais aussi d’une structure semblable à un chapeau qui attire et attache la molécule cible, puis la «tire» à travers le canal du pore. L’étude a mis en évidence que c’est l’électrostatique dans la zone du chapeau qui impose ce lien.

«En comprenant les détails de la connexion entre la structure du pore de l’aérolysine et sa fonction, nous pouvons désormais concevoir des pores sur mesure pour différentes applications de détection, explique Matteo Dal Peraro. Cela ouvrira de nouvelles possibilités inexplorées pour séquencer des biomolécules telles que de l’ADN, des protéines et leurs modifications post-traductionnelles, avec des applications prometteuses pour le séquençage génétique et la détection de biomarqueurs en vue de diagnostics.» Les scientifiques ont déjà déposé un brevet pour le séquençage et la qualification des pores d’aérolysine génétiquement modifiée.

Autres contributeurs

  • Université fédérale de Rio de Janeiro
  • Institut des sciences et de la technologie de Skolkovo (Russie)
  • Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique de l’EPFL