Forces moléculaires et séparation liquide-liquide dans les solutions de macromolécules biologiques – BioLLPS

De nombreux compartiments cellulaires sans membrane sont formés par séparation de phase liquide-liquide (LLPS). Ce processus est lié à la flexibilité et à la charge effective des macromolécules. Les mécanismes et les forces motrices sous-jacents sont encore mal compris.

BioLLPS s'appuie sur un système biologique bien défini, utilisé par le virus de la rage pour construire des usines virales dans la cellule hôte infectée (appelées corps de Negri dans le cas de la rage). Ce système présente des propriétés exceptionnelles pour un biophysicien, puisqu'il se sépare en deux phases liquides de manière réversible et reproductible, et que la phase protéique hautement concentrée reste à l'état liquide sans agrégation, cristallisation ou gélification. Ce système a également la capacité de contrôler le partitionnement d’autres macromolécules entre les phases. Ce système offre la possibilité d'être caractérisé en termes de structure et de forces colloïdales, permettant d’identifier les facteurs qui contrôlent les LLPS dans les systèmes biologiques.

L'objectif de BioLLPS est de déchiffrer certains des principes physico-chimiques sous-jacents par lesquels les protéines induisent un LLPS conduisant, dans les cellules, à des organelles sans membrane. Dans une approche ascendante, nous établirons un système modèle minimaliste qui récapitule les propriétés essentielles de ces organelles induites par le virus: (1) apparition d’une phase dense liquide et (2) partitionnement de macromolécules.

S’appuyant sur une série de résultats et d'observations préliminaires, BioLLPS est organisé en trois paquets de travail. Le WP1 vise à reconstituer la LLPS à partir d’une protéine purifiée qui forme des coacervats sensibles à la température et la pression osmotique in vitro, puis à établir la thermodynamique et la cinétique du système aqueux à deux phases (ATPS) résultant, en fonction de la pression osmotique et de la concentration en sel. Nous disposons d’une seconde protéine qui se partitionne dans la phase dense de l’ATPS précédemment obtenue, et l’utiliserons pour étudier son influence sur la LLPS. Nous élaborerons un système permettant le contrôle rigoureux de l’échantillon en particulier par ultracentrifugation analytique. L'objectif du WP2 est de caractériser l'organisation structurelle des protéines dans la phase concentrée et de cartographier la réponse de l'ATPS aux variations du type et de la concentration d'électrolyte (sel) et de la pression osmotique (activité de l'eau) comme moyen de perturber les forces moléculaires qui s'appliquent au système. Nous étudierons les conditions de formation de la LLPS par diffusion de la lumière, des rayons X et des neutrons. Le WP3 vise à déterminer le mécanisme de formation des gouttelettes en confrontant les différents modèles existants. Nous testerons les nouvelles théories de coacervation des polyélectrolytes synthétiques, en y incluant deux éléments originaux : l'activité de l’eau et la différence de pression osmotique due à la pression de Laplace. Le sujet étant à la frontière entre biologie virale et physico-chimie classique des colloïdes, notre projet se démarque par la composition trans-disciplinaire des équipes impliquées et aura un impact dans différents domaines scientifiques, notamment la biologie fondamentale, les sciences médicales, la pharmacologie et la conception de médicaments.

L’étude du lien entre LLPS et pression osmotique pourrait mettre en évidence l’évolution de la pression osmotique dans la cellule infectée comme mécanisme de régulation temporelle du cycle viral.