Afin de remplir leur fonction, les cellules biologiques doivent être divisées en compartiments réactionnels distincts. Cela se fait parfois avec des membranes, parfois sans : la ségrégation spontanée de certains types de biomolécules conduit à la development de ce qu’on appelle des condensats. Pourquoi et dans quelles circonstances ils se forment fait actuellement l’objet de recherches. À l’aide de simulations informatiques, le professeur Lars Schäfer et le Dr Saumyak Mukherjee du Centre de chimie théorique de l’Université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne, ont identifié un acteur souvent négligé : l’eau. En raison de leur nombre, les petites molécules d’eau sont tout aussi importantes que les grandes biomolécules dans la lutte acharnée moléculaire des forces motrices qui sont à l’origine de la formation des condensats. Les deux chercheurs décrivent leurs découvertes dans la revue Nature Communications, publiée le 21 septembre 2023.
Mêlée dense
Ce n’est que récemment que des études ont prouvé l’existence de condensats comme espaces de réaction dans les cellules. « Ces condensats sont incroyablement denses, ce qui signifie qu’il existe une mêlée moléculaire de macromolécules biologiques telles que des protéines et des acides nucléiques », explique Lars Schäfer. Puisque seules certaines macromolécules forment de tels condensats entre elles, elles peuvent agir comme des microréacteurs spécifiques pour des réactions biochimiques très spécifiques qui ont lieu dans la cellule. « Il n’est donc pas surprenant que les perturbations de ces processus soient associées à diverses maladies », explique Schäfer.
David et Goliath
Pourquoi ces condensats se forment-ils dans la cellule, et dans quelles circonstances ? « Les forces motrices sous-jacentes sont finalement cachées dans les interactions chimiques entre les différentes molécules de la cellule », explique Saumyak Mukherjee. « Les simulations informatiques peuvent aider à faire la lumière sur ce phénomène, même dans les moindres détails atomiques. » Il s’avère qu’un acteur souvent négligé dans l’interaction moléculaire joue un rôle clé : l’eau.
Les propriétés des molécules d’eau présentes dans la mêlée dense à l’intérieur des condensats diffèrent de celles des molécules d’eau à l’extérieur. « Le confinement des molécules d’eau à l’intérieur du condensat est une force motrice défavorable, tandis que la liberté des molécules d’eau à l’extérieur est favorable. Ces dernières gagnent cette lutte acharnée moléculaire — ne serait-ce que de justesse », explique Schäfer. Outre les interactions fréquemment décrites entre macromolécules telles que les protéines, les molécules d’eau jouent également un rôle vital dans la formation de condensats biomoléculaires dans les cellules. « C’est un peu David et Goliath », illustre Mukherjee. « Voici les petites molécules d’eau et il y a les grosses molécules de protéines. Cependant, il y a beaucoup de molécules d’eau, et ensemble, elles ajoutent autant à la drive motrice que les grosses protéines. »
