Introduction : La vie comme mouvement
Les scientifiques décrivent souvent la vie comme une série de réactions chimiques. Mais Pallav Kosuri, Ph.D., décrit la vie comme un mouvement. Les réactions chimiques entraînent le mouvement des atomes, des protéines, des cellules et des corps—sans mouvement, il n'y a pas de vie. « Si vous ne savez pas comment quelque chose bouge, vous ne savez pas ce qu'il fait », dit Kosuri. « Et si vous voulez comprendre, manipuler et modifier la fonction des molécules, comprendre leurs mouvements physiques est tout aussi important que comprendre leurs réactions chimiques. La différence est la suivante : nous avons un catalogue complet des réactions chimiques, tandis que le côté mécanique est encore le Far West. »
Le laboratoire de Kosuri à l'Institut Salk entreprend de changer cela. Dans une nouvelle étude publiée dans Cell Reports Methods, ils présentent ORBIT, une méthode qui utilise l'origami d'ADN pour construire des nanostructures fluorescentes afin de visualiser les mouvements moléculaires. Cette approche innovante surmonte des limitations techniques de longue date, permettant aux chercheurs de suivre la rotation d'une seule molécule d'ARN polymérase lorsqu'elle lit l'ADN avec une résolution de paire de bases sur des heures—un exploit auparavant impossible.
Le défi de mesurer le mouvement moléculaire
La microscopie à fluorescence est une technologie puissante, mais ses temps d'observation sont limités par le photoblanchiment des marqueurs fluorescents. Avec le temps, ces marqueurs s'éteignent inévitablement, limitant les mesures à quelques secondes. Cela a rendu difficile, voire impossible, l'étude des mouvements moléculaires sur de longues périodes, en particulier des processus comme la transcription qui se déroulent sur des minutes ou des heures.
Pour remédier à cela, Kosuri et son équipe ont développé une stratégie de « recyclage des colorants » pour ORBIT. Cette technique réapprovisionne constamment les marqueurs fluorescents, prolongeant la fenêtre de mesure de quelques secondes à plusieurs heures. Ce faisant, ils peuvent désormais observer la dynamique moléculaire en temps réel avec une précision sans précédent.
Comment fonctionne ORBIT
ORBIT exploite l'origami d'ADN, une méthode qui utilise des blocs de construction d'ADN pour créer des nanostructures personnalisées auto-assemblées. Ces nanostructures peuvent être conçues pour se fixer à des protéines spécifiques et amplifier leurs mouvements. Dans ce cas, les chercheurs ont construit une structure en forme de rotor avec une tige en tire-bouchon qui se fixe à l'ARN polymérase, une poignée en forme de X et une sonde fluorescente. Lorsque la polymérase se déplace le long de l'ADN, le rotor amplifie le mouvement, le rendant détectable au microscope.
L'innovation clé est le mécanisme de recyclage des colorants. Au lieu de s'appuyer sur un seul marqueur fluorescent qui s'estompe, ORBIT introduit en continu de nouvelles molécules de colorant, gardant le signal lumineux pendant de longues périodes. Cela permet à l'équipe de suivre la rotation de l'ARN polymérase pendant qu'elle transcrit les gènes, paire de bases par paire de bases.
Implications pour la compréhension de la transcription des gènes
La transcription des gènes est un processus fondamental dans lequel l'ARN polymérase lit l'ADN et produit de l'ARN. Bien que les étapes chimiques de la transcription soient bien comprises, les aspects mécaniques—comment la polymérase se déplace, tourne et interagit avec l'ADN—restent largement inexplorés. ORBIT offre une fenêtre sur ces dynamiques, fournissant des informations qui pourraient conduire à de nouvelles stratégies thérapeutiques.
Par exemple, comprendre comment la machinerie de transcription se déplace pourrait aider les chercheurs à concevoir des médicaments ciblant des étapes spécifiques du processus, traitant potentiellement des maladies causées par une dérégulation transcriptionnelle. De plus, la capacité d'observer les mouvements moléculaires en temps réel pourrait être appliquée à d'autres interactions protéine-ADN, ouvrant de nouvelles voies en biologie moléculaire.
Applications plus larges et orientations futures
Au-delà de la transcription, la stratégie de recyclage des colorants d'ORBIT pourrait être adaptée pour étudier une large gamme d'interactions moléculaires. L'équipe envisage des applications dans la livraison de médicaments, les dispositifs de laboratoire sur puce et la découverte biologique fondamentale. En fournissant un outil pour visualiser le mouvement moléculaire, ORBIT pourrait aider à combler le fossé entre la compréhension chimique et mécanique de la vie.
Le laboratoire de Kosuri prévoit déjà d'étendre les capacités d'ORBIT. Ils visent à augmenter la résolution et la sensibilité de la technique, ainsi qu'à l'appliquer à d'autres moteurs moléculaires et enzymes. L'objectif ultime est de créer un atlas complet des mouvements moléculaires, semblable au catalogue des réactions chimiques qui existe déjà.
Conclusion
Le développement d'ORBIT marque une avancée significative dans le domaine de la biophysique moléculaire. En permettant un suivi à long terme et à haute résolution des mouvements moléculaires, il offre une nouvelle lentille à travers laquelle voir les fondements mécaniques de la vie. Comme le dit Kosuri, comprendre le mouvement est la clé pour comprendre la fonction. Avec ORBIT, les chercheurs sont désormais équipés pour explorer le « Far West » de la mécanique moléculaire, ouvrant potentiellement de nouvelles perspectives en biologie et en médecine.
Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.
Originally published on phys.org
