Nouveau type de friction découvert dans les systèmes ligand-protéine

Une équipe de recherche interdisciplinaire des Instituts de chimie physique et de physique de l’Université de Fribourg et de l’Institut Max Planck de biophysique de Francfort-sur-le-Main a découvert une nouvelle friction dépendante de la direction dans les protéines appelée friction anisotrope.

“Jusqu’à présent, personne n’avait observé que le frottement dans les biomolécules dépendait de la direction”, déclare le physicien Dr Steffen Wolf de l’Université de Fribourg. Les résultats ont été publiés dans Nano-lettres.

Expériences sur un complexe modèle de protéines-ligands

Les protéines constituent la machinerie microscopique des cellules. Ils effectuent un travail au cours de leurs cycles fonctionnels. En conséquence, ils suivent les lois de la thermodynamique, présentent une efficacité de conversion d’énergie et perdent de l’énergie au cours de leur cycle de fonctionnement en raison de la dissipation. D’un point de vue macroscopique, ce dernier effet correspond à un frottement apparent.

À l’échelle microscopique des protéines individuelles, une source connue de frottement est le frottement interne des protéines qui résulte de l’excitation des vibrations internes des protéines. Une autre source est le frottement du solvant, qui résulte de l’accélération des molécules de solvant environnantes. Ces sources de frottement entraînent un échauffement à la fois des protéines et du solvant. Ici, les chercheurs ont découvert le nouveau type de friction en réalisant des expériences et des simulations sur une seule molécule sur un complexe modèle d’une protéine et d’un ligand.

Dans leurs expériences sur une seule molécule, l’équipe a utilisé une nouvelle méthode appliquant la spectroscopie de force stéréographique à une seule molécule, basée sur la microscopie à force atomique (AFM). Cette technique leur a permis d’étudier la séparation d’un ligand d’une protéine liée à une surface non seulement le long d’une seule coordonnée, mais le long des trois coordonnées cartésiennes.

Au cours de leurs expériences, le Dr Wanhao Cai, le Prof. Dr. Thorsten Hugel et le Dr Bizan N. Balzer de l’Institut de chimie physique de l’Université de Fribourg ainsi que le Dr Jakob T. Bullerjahn de l’Institut Max Planck, ont fait le découverte surprenante que le frottement lors de la séparation du ligand augmente avec l’angle de traction appliqué.

Combiner expériences et simulations informatiques

Miriam Jäger et le Dr Steffen Wolf de l’Institut de physique de l’Université de Fribourg ont ensuite recréé l’expérience à l’aide de simulations informatiques. Ils ont utilisé les ressources de calcul haute performance (HPC) du BinAC-HPC-Cluster à Tübingen. Au cours des simulations, ils ont déterminé que le travail de détachement d’un ligand de son site de liaison dépend de la direction exacte d’application de la force de traction.

En combinant les résultats de l’expérience et des simulations, les chercheurs ont reconnu que la source du frottement dépendant de l’angle est l’orientation indéfinissable et aléatoire des protéines le long de leurs axes de rotation liés à la surface dans l’expérience. L’équipe a répété plusieurs fois les expériences d’extraction de molécules uniques en liant et déliant un ligand vers et depuis une protéine afin d’obtenir des résultats statistiquement significatifs.

Là, le ligand se lie à une protéine différente pour chaque mesure. Par conséquent, dans chaque mesure, un ligand a été tiré au même angle par rapport à la surface, mais sur différentes régions de la protéine orientée au hasard. Cette orientation ne peut être définie, tant dans le dispositif expérimental que dans le monde réel, et chaque mesure ne peut pas être répétée exactement et de manière réversible. Par conséquent, à chaque fois, différentes quantités d’énergie ont été déposées dans la biomolécule.

La partie irréversible de cette énergie était perdue sous forme de chaleur dans le système. L’effet correspondant est une source de friction, que les chercheurs appellent friction anisotrope.

Un type de frottement fondamental

“Nous supposons que ce type de frottement auparavant inconnu et fondamental est présent dans chaque bioassemblage dans lequel le caractère aléatoire de l’orientation des protéines apparaît avec la directionnalité de l’application de la force”, explique le Dr Bizan N. Balzer, biophysicien. Il explique que c’est le cas dans les moteurs biomoléculaires ou les protéines membranaires sensibles à la force, ainsi que pour des processus tels que le flux sanguin, où des forces sont exercées sur des protéines orientées de manière aléatoire.

Balzer conclut: “Le frottement anisotrope est donc une autre pièce importante du puzzle pour comprendre le frottement dans les applications techniques et dans les complexes biologiques en général.”