The fluidity of water in our cells

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34 > BIOFUTUR 331 •AVRIL 2012
L’effet hydrophobe dépend
fortement des propriétés dyna-
miques moléculaires de l’eau à
l’état liquide. Son implication
dans la formation des mem-
branes et le repliement des
macromolécules a été observée
dans des expériences réalisées
dans des tubes à essai (2), donc
en présence d’eau à l’état liquide,
volumique. Or il a été suggéré
que l’eau dans la cellule ne serait
pas dans cet état volumique :
elle ne serait pas libre de bouger
comme l’eau liquide en raison
de l’environnement fortement
encombré et visqueux de la
cellule (3), qui consiste en une
« soupe » de protéines et autres
molécules (figure p. 35, en haut).
D’où l’importance de mesurer
l’état dynamique de l’eau
directement dans des cellules
vivantes. C’est grâce aux pro-
priétés spécifiques du neutron
que cette mesure a été rendue
possible, réalisée par des scienti-
fiques de l’Institut de biologie
structurale (CEA-CNRS-UJF)*1et
de l’Institut Laue-Langevin (ILL)*2,
à Grenoble.
Q
ue l’eau soit essentielle à
la vie est bien connu et
accepté de tous, y compris
des scientifiques. Les propriétés
extraordinaires de cette molécule
ont fait l’objet de divers articles
de vulgarisation, comme celui
de Giuseppe Zaccai (1). Elles
jouent un rôle fondamental en
biologie moléculaire, une disci-
pline qui consiste à étudier les
processus de la vie au niveau des
atomes et des molécules, ainsi
que leurs interactions. Ainsi, les
molécules d’eau peuvent former
des liaisons entre elles et avec
d’autres molécules hydrophiles,
mais pas avec des molécules
hydrophobes. Cette simple
propriété a des conséquences
essentielles en biologie molécu-
laire. L’effet hydrophobe conduit,
par exemple, à l’organisation
spontanée des membranes lipi-
diques qui entourent nos cellules
(figure p. 35, en bas) . Il contribue
également à l’organisation de la
structure tridimensionnelle des
protéines, de l’ADN et de l’ARN,
en favorisant l’exposition des
parties hydrophiles au contact de
l’eau environnante, et en cachant
les parties hydrophobes au cœur
des macromolécules.
LE NEUTRON, UNE
SONDE DE CHOIX
Dans un centre neutronique
comme celui de l’ILL, les scien-
tifiques utilisent les faisceaux de
neutrons pour explorer une
variété d’échantillons solides ou
liquides (lire encadré p. 33). Dans
une expérience de spectrométrie
neutronique destinée à mesurer
la dynamique des atomes dans
un échantillon, les neutrons d’un
faisceau entrent en collision avec
les atomes de l’échantillon, à
l’image de boules de billard qui
rebondissent au contact les unes
des autres. Mesurer les change-
ments d’énergie et de trajectoire
des neutrons suite à leur colli-
sion avec les atomes renseigne
sur les changements d’énergie et
de trajectoire des atomes au sein
de l’échantillon, et par consé-
quent sur la façon dont les
atomes bougent.
L’énergie et la trajectoire des
neutrons sont déterminées avant
et après interaction avec les
atomes de l’échantillon, en
mesurant les changements de
longueur d’onde (de l’ordre de
l’Angström, 10-10 m), via deux
méthodes principales (4) : l’une
dite par « temps de vol », où la
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Les
Les propriétés spécifiques du neutron, combinées astucieusement au marquage
isotopique, ont permis de lever le voile sur le comportement dynamique de
l’eau dans la cellule, à l’échelle atomique. Contrairement aux idées reçues,
l’eau intracellulaire est presque aussi fluide que l’eau liquide. Seule sa diffusion
en surface des macromolécules est ralentie.
l’auteur
Marion Jasnin
Max Planck Institute of Biochemistry,
Département de Biologie
Moléculaire et Structurale
Martinsried, Allemagne
La fluidité de l’eau dans nos cellules
© SPRINGER SCIENCE+BUSINESS MEDIA, LLC 2009
*1
www.ibs.fr/?lang=fr
*2
www.ill.eu
C’est dans la bactérie
Escherichia coli
qu’a été
explorée la dynamique
de l’eau intracellulaire.
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différents pouvoirs de diffusion
selon les atomes qu’ils percutent.
Pour étudier des échantillons
complexes, on peut utiliser une
astuce permettant de réduire le
pouvoir de diffusion de tout ce
que l’on ne veut pas mesurer.
L’hydrogène diffuse les neutrons
beaucoup plus que tout autre
type d’atome (entre 10 et 100
fois plus, en fonction du type
d’atome). En comparaison, le
deutérium, un isotope de l’hy-
drogène dont le noyau contient
un neutron en plus du proton,
diffuse les neutrons 40 fois
plus faiblement que l’hydrogène.
Exploitant cette propriété, on
peut remplacer l’hydrogène des
parties d’un système complexe
que l’on veut masquer par du
deutérium, afin de les rendre
pratiquement invisibles. Les
contributions au signal de
diffusion des molécules qui
contiennent du deutérium sont
négligeables. On « voit » seule-
ment les mouvements des
molécules qui contiennent de
l’hydrogène.
L’EAU DANS LES
CELLULES HALOPHILES
La première expérience sur des
cellules vivantes a été réalisée
sur des archées de la mer Morte
vivant dans des conditions
extrêmes de salinité (5). Le sel
est normalement utilisé comme
conservateur : à forte concen-
tration, il permet de tuer les
micro-organismes. Les orga-
nismes halophiles (« qui aiment
le sel ») ont évolué de façon
à s’accommoder à de fortes
concentrations en sel, grâce à un
vitesse du neutron est mesurée
sur un chemin déterminé ; l’autre
par diffraction de cristaux*3.
Chaque spectromètre neutro-
nique est adapté pour mesurer des
mouvements atomiques sur une
certaine échelle de longueur et de
temps. Les spectromètres peuvent
être séparés en trois catégories.
Ceux qui mesurent des mouve-
ments de quelques Angströms
sur des temps de quelques
picosecondes (10-12 s) : il s’agit
de la gamme associée aux
mouvements de l’eau liquide
à température ambiante. Ceux
qui mesurent des amplitudes
de quelques Angströms sur
des temps de l’ordre de la nano-
seconde (10-9 s), adaptés pour
détecter des mouvements ralen-
tis de deux ordres de grandeur
par rapport à ceux de l’eau
liquide à température ambiante.
Et une catégorie intermédiaire,
adaptée à des amplitudes de
quelques Angströms sur des
temps de quelques dizaines de
picosecondes, qui permet de
mesurer des ralentissements plus
faibles.
LE MARQUAGE
ISOTOPIQUE
Comment distinguer les mou-
vements des différents atomes
d’un échantillon complexe, telle
qu’une cellule, qui contient non
seulement de l’eau mais aussi
beaucoup d’autres molécules ?
Les neutrons sont diffusés avec
nombre très élevé de surfaces
hydrophiles au sein de leurs
macromolécules. Ces surfaces
affectent la dynamique de l’eau
dans leurs cellules. Ainsi, en
2007, en utilisant un spectro-
mètre adapté, notre laboratoire
a détecté la présence d’une eau
fortement ralentie (de deux
ordres de grandeur) au sein de
Haloarcula marismortui, une
archée de la mer Morte (5). La
présence de cette eau fortement
ralentie serait due à des interac-
tions exceptionnelles entre l’eau,
le sel et les protéines halophiles
(6) et révèle un des mécanismes
permettant à ces organismes de
survivre à de fortes concentra-
tions en sel (lire p. 28).
Si cette eau fortement ralen-
tie était présente dans tous les
organismes vivants, qu’ils soient
ou non halophiles, cela condui-
rait à une réévaluation de l’effet
hydrophobe dans la cellule, ainsi
que du rôle de l’eau en biologie
en général. La grande mobilité
des molécules dans l'eau liquide
conduit en effet à une forte
entropie. Les molécules hydro-
phobes sont des molécules peu
solubles et donc incapables de
participer à la « danse » de l'eau.
La formation des membranes et
le repliement des macromolécules
résultent de la tendance des
parties hydrophobes à échapper
au contact de l'eau pour réduire
l'effet entropique défavorable
(figure ci-contre). Si l'eau cellu-
AVRIL 2012 •BIOFUTUR 331 <35
es
LLC 2009
Photos : avec l’aimable autorisation de
Springer Science+Business Media.
Goodsell DS (2009) The Machinery of Life,
Second Edition. Springer Science+Business
Media. fig. 1.1 (p. 1), fig. 2.3 (p. 12),
fig. 4.3 (p. 56), fig. 6.6 (p. 97)
*3
Selon la loi de Bragg, seule une longueur
d’onde est diffractée pour une périodicité de
cristal et une configuration angulaire données.
Portion d’une cellule montrant
les nombreuses petites
molécules localisées entre
les protéines et les acides
nucléiques. En rose, les acides
aminés, sucres, ATP...
En rouge, les ions métalliques.
En jaune et orange,
les ions phosphate.
En vert, les ions chlorure.
Les espaces restants sont
remplis de molécules
d’eau, en turquoise.
>
Mélangés à l’eau, les lipides
forment soit des gouttelettes
lipidiques comme ici, soit des
bicouches lipidiques comme
dans le cas de nos mem-
branes. Les phospholipides
representés sur cette figure
sont composés d’un groupe
phosphate hydrophile
(en jaune et rouge), en inter-
action forte avec l’eau, et
d’une partie hydrophobe
faite de carbone et d’hydro-
gène (en blanc), dirigée
vers l’intérieur de
la gouttelette.
>
© SPRINGER SCIENCE+BUSINESS MEDIA, LLC 2009
© SPRINGER SCIENCE+BUSINESS MEDIA, LLC 2009
térie
qu’a été
mique
ulaire.
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(1)
Zaccai G (2009)
Science in School 13, 19-23
(2)
Tanford C (1978)
Science 200, 1012-8
(3)
Ball P (2008)
Chem Rev 108, 74-108
(4)
Diffusion inélastique
de neutrons : http://tinyurl.com/
diffusion-neutrons
Diffraction de neutrons sur des
cristaux : http://tinyurl.com/
diffraction-neutrons
Types de spectromètres
neutroniques existants :
http://tinyurl.com/spectrometres1
http://tinyurl.com/spectrometres2
(5)
Tehei M et al. (2007)
Proc Natl Acad Sci Unit States Am
104, 766-71
(6)
Madern D et al. (2000)
Extremophiles 4, 91-98
(7)
Jasnin M et al. (2008)
EMBO Rep 9, 543-7
(8)
Stadler AM et al. (2008)
J Am Chem Soc 130, 16852-3
(9)
Jasnin M et al. (2011) in Water:
the Forgotten Biological Molecule.
Pan Stanford Publishing, 165-77
laire n'avait plus cette liberté de
bouger propre à l'eau liquide,
alors les molécules hydrophobes
perdraient leur propriété hy-
drophobe. Il est donc apparu
essentiel de voir si la présence de
cette eau fortement ralentie était
propre aux organismes halo-
philes ou pouvait être généralisée
à toutes les cellules.
L’EAU DANS
ESCHERICHIA COLI
Les cellules humaines sont
délicates et difficiles à utiliser
pour les études neutroniques. Les
bactéries Escherichia coli (E. coli)
sont une bonne alternative :
elles sont robustes et faciles à
manipuler, vivent dans des
conditions physiologiques de
température et de salinité simi-
laires à nos propres cellules.
Le marquage isotopique a été
utilisé afin de pouvoir explorer
les mouvements de l’eau dans
le cytoplasme d’E. coli sans
la contribution des macro-
molécules. Pour remplacer les
atomes d’hydrogène par du
deutérium dans les protéines
et autres macromolécules de la
cellule, E. coli a été cultivée dans
de l’eau deutériée (lourde) conte-
nant des nutriments deutériés.
Avant les mesures, les cellules
ont été centrifugées délicatement
et l’eau lourde intracellulaire a
été remplacée par de l’eau légère
(contenant des hydrogènes).
Seules les macromolécules sont
restées deutériées. Dans un
échantillon concentré de ces
cellules, le signal diffusé par
les neutrons provient donc
majoritairement de l’eau intra-
cellulaire.
Les atomes d’un même échan-
tillon peuvent bouger à dif-
férentes vitesses pour une même
température, en fonction des
liaisons avec les atomes qui les
entourent. On sait par exemple
que les molécules d’eau sont
ralenties au contact des macro-
molécules telles que les protéines
et l’ADN. Il restait donc une
question à élucider : les molé-
cules d’eau qui ne sont pas en
contact direct avec les macro-
molécules bougent-elles comme
elles le feraient dans de l’eau
liquide, ou sont-elles sensible-
ment ralenties ? En utilisant les
spectromètres adaptés à l’ILL
ainsi qu’à ISIS*4, à Chilton en
Angleterre, nous avons établi que
la dynamique de l’eau dans la
bactérie E. coli est quasiment
similaire à celle de l’eau pure (7).
Les molécules d’eau intracellu-
laire tournent sur elles-mêmes
sur des temps similaires à ceux
de l’eau libre. Seul un faible
ralentissement au niveau de
la diffusion translationnelle
moyenne a été mesuré – le temps
de résidence d’un proton de l’eau
intracellulaire, avant de diffuser
vers un autre site de fixation, est,
en moyenne, deux fois plus long
que celui mesuré dans l’eau pure –
révélant qu’une fraction de l’eau
intracellulaire bouge plus dou-
cement que le reste. Cette frac-
tion d’eau faiblement ralentie
correspond au pourcentage
d’hydrogène en contact direct
avec les macromolécules. Par
conséquent, seule la couche
d’eau d’hydratation des macro-
molécules est réellement ralentie,
le reste de l’eau intracellulaire est
libre de s’écouler aussi librement
que l’eau pure.
Par ailleurs, contrairement à
ce qui a été observé chez les
halophiles, aucune eau fortement
ralentie n’a été détectée chez
E. coli (5).
L’EAU DANS LES
GLOBULES ROUGES
Suite aux expériences sur
E. coli, notre laboratoire est éga-
lement parvenu à mesurer la
dynamique de l’eau dans les
globules rouges humains en
utilisant des sources neutro-
niques à l’Université technique
de Munich en Allemagne*5et
au Paul Scherrer Institute en
Suisse*6. L’eau dans les globules
rouges se comporte de la même
manière que celle dans E. coli,
diffusant librement au delà de
la première couche en contact
avec l’hémoglobine, la principale
protéine de ces cellules (8) (figure
ci-contre).
UNE FLUIDITÉ
RETROUVÉE
De façon imagée, ce qui se
passe dans la cellule au niveau
atomique est similaire à ce qui
se passe dans les îles du lagon de
Venise en Italie. L’eau en contact
avec les macromolécules (équi-
valentes aux îles) est retenue en
surface, alors qu’entre les macro-
molécules – entre les îles – l’eau
retrouve sa fluidité.
Ce résultat, reposant sur des
données expérimentales réalisées
sur plusieurs types de cellules
vivantes, a mis fin à la polé-
mique selon laquelle l’eau
intracellulaire serait fortement
perturbée par l’environnement
encombré de la cellule et ralen-
tie dans son ensemble (9).
Les scientifiques peuvent donc
être soulagés et continuer à réa-
liser des expériences dans des
tubes à essais, qui constituent
bien un modèle valide de l'état
dynamique de l'eau dans la
cellule à l'échelle atomique.
I
Remerciements
L’auteur souhaite remercier chaleureusement
Giuseppe Zaccai pour sa relecture et ses
conseils, toujours porteurs d’inspiration, ainsi
que David Goodsell pour ses illustrations.
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*5
www.frm2.tum.de
*6
www.psi.ch/sinq
*4
www.isis.stfc.ac.uk
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Plasma sanguin (en haut) et une coupe transversale de globule rouge (en bas). Le
plasma inclut de nombreuses molécules de sérum-albumine (A), des anticorps (B),
du fibrinogène (C), des lipoprotéines de haute densité (D), de basse densité (E) et
beaucoup d’autres protéines impliquées dans le transport et la protection. Sont
également figurés le réseau de spectrine (F), l’hémoglobine (G) et des protéines
antioxydantes comme la superoxyde dismutase (H) et la catalase (I).
>
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