Comment des gouttelettes dans les cellules régulent les réactions chimiques

Depuis une quinzaine d’années, les biologistes ont découvert que de nombreuses réactions chimiques essentielles au fonctionnement cellulaire (division, réponse au stress, régulation génétique…) se déroulent dans des micro-compartiments liquides sans membrane formés par séparation de phase au cœur même du cytoplasme. En concentrant localement enzymes et substrats, ces gouttelettes appelées biocondensats ont souvent été vues comme des nanoréacteurs naturels capables d’accélérer les réactions biochimiques. Mais la réalité est plus complexe : à l’intérieur de ces milieux très denses et encombrés, la diffusion des molécules est fortement ralentie, parfois par un facteur 100 à 500.

Pour démêler ces effets contradictoires et comprendre le rôle de ces biocondensats, des physiciens et chimistes théoriciens du laboratoire Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (CNRS/Sorbonne Université) ont développé un modèle numérique détaillé simulant le mouvement et les interactions de milliers de protéines dans et en dehors des gouttelettes. Ils ont comparé des systèmes à l’équilibre à des systèmes dynamiques hors équilibre alimentés par des réactions chimiques libérant de l’énergie comme l’hydrolyse de l’ATP dans la cellule.

Les résultats montrent qu’une seule gouttelette peut effectivement accélérer les rencontres moléculaires en concentrant les réactifs. Mais lorsque de nombreuses gouttelettes coexistent, elles deviennent autant de pièges qui séparent les réactifs dans des compartiments différents : le temps de rencontre peut alors être multiplié par dix, voire plus. Par contre, lorsque ces gouttelettes forment un système dynamique alimenté par de l’énergie chimique, le temps de séjour des protéines dans chaque gouttelette est fortement modifié, avec des flux permanents d’entrée et de sortie entre gouttelettes.

L’étude montre dès lors qu’il existe une condition optimale lorsque le temps passé par une protéine donnée dans une gouttelette est comparable au temps nécessaire pour y rencontrer son partenaire de réaction. Dans ce cas particulier, les réactions sont effectivement accélérées. Ce n’est pas le cas lorsque le temps de séjour est trop long (la protéine met dans ce cas trop de temps à explorer toutes les gouttelettes avant de trouver son partenaire de réaction) ou trop court (la protéine ne passe pas assez de temps dans chaque gouttelette pour avoir une chance d’y rencontrer son partenaire de réaction). En d’autres termes : trop de confinement, ou pas assez, et l’effet bénéfique disparaît.

Ces travaux suggèrent que la cellule contrôle très finement ses réactions chimiques non seulement par la chimie des protéines, et en particulier la catalyse par les enzymes, mais aussi par la dynamique énergétique des biocondensats et leur organisation spatiale. Cette façon, encore largement inexplorée, de réguler la vie à l’échelle nanométrique a des implications qui dépassent le contexte biologique : elles concernent tout système de matière molle ou active où structure, effets hors-équilibre et réactions chimiques sont imbriqués. Cette étude est à retrouver dans la revue PNAS.

Rédacteur : AVR