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Nano-mécanique des membranes de lipides


La mesure des déformations imposées par des protéines membranaires ou par d’autres nano-objets à la bicouche lipidique (la composante principale de la membrane cellulaire) est essentielle pour décrire leur interaction élastique et pour comprendre l’influence du milieu sur l’activité de la protéine. Jusqu’à maintenant, aucune technique expérimentale ne pouvait caractériser le profil de déformation au voisinage de ces objets.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides et du laboratoire MSC (à Paris) a étudié les propriétés élastiques de bicouches de lipides en utilisant comme sondes des canaux de gramicidine, qui perturbent localement les bicouches et subissent donc une interaction transmise par leurs propriétés élastiques. Ils ont mesuré cette interaction, mettant en évidence des déformations de la membrane à l’échelle du nanomètre, inaccessibles par d’autres techniques (figure 1).

Figure 1 : Energie d’interaction V entre deux canaux de gramicidine dans une bicouche de phospholipides en fonction de la distance entre leurs centres, d. Encadré : Facteurs de structure S en fonction du vecteur de diffusion q pour le même système à différentes fractions surfaciques η d’inclusions : données expérimentales (points rouges) et ajustements utilisant l’énergie d’interaction V(d) (traits).

En utilisant une théorie élastique complète, ils ont extrait la pente préférée de l’interface eau-lipides au contact de la protéine et la force d’ancrage associée, répondant ainsi à une question qui était restée ouverte pendant vingt ans. Dans des bicouches de phospholipides (l’ingrédient principal de la membrane cellulaire), l’épaisseur de la membrane chute abruptement en s’éloignant du contact, parfois même lorsque la membrane est plus épaisse que le canal (voir la figure 2) ! Cette conclusion surprenante fournit une condition aux limites manquante, qui est pourtant nécessaire si on veut résoudre les équations élastiques du système.

Figure 2 : Diagramme de membranes de phospholipides de plus en plus épaisses déformées par deux canaux de gramicidine insérés. Le profil de déformation est agrandi d’un facteur trois.

Avec les paramètres mesurés ci-dessus et avec des valeurs déjà publiées pour les autres grandeurs caractéristiques (et sans paramètres ajustables), les chercheurs ont aussi prédit de manière quantitative des résultats de la littérature de simulations numériques et de mesures de conductivité, unifiant trois techniques complètement différentes dans le cadre d’un modèle théorique unique et validant l’utilisation de la mécanique des milieux continus pour décrire les membranes de lipides à la nano-échelle.

Référence

Coupling between inclusions and membranes at the nanoscale

Florent Bories, Doru Constantin, Paolo Galatola, and Jean-Baptiste Fournier

Physical Review Letters 120, 128104 (2018)
DOI:10.1103/PhysRevLett.120.128104

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Jean-Baptiste Fournier