Un phénomène quantique observé dans les protéines éclaire leur fonctionnement
Si l’on sait que l’information circule au sein des cellules grâce à des réactions biomoléculaires, notamment entre les protéines, le mécanisme précis qui sous-tend ce processus demeure mystérieux. Pour la plupart des biologistes, ce processus repose sur des forces, principalement électrostatiques, qui permettent aux cellules de s’organiser et de coordonner leurs fonctions. Selon cette théorie largement admise, l’information est transmise lorsque des réactions chimiques se propagent d’un endroit à un autre sous l’effet du mouvement brownien(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Ce mécanisme à lui seul ne suffit toutefois pas à expliquer l’efficacité exceptionnelle de ces réactions dans les cellules vivantes, ce qui laisse un écart d’environ quatre ordres de grandeur entre les prévisions de ce modèle et les résultats rapportés dans la documentation.» «Il doit y avoir autre chose en jeu», souligne Jérémie Torres, coordinateur du projet LINkS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Le projet LINkS s’est intéressé à un aspect de la dynamique cellulaire connu sous le nom d’interactions électrodynamiques à longue portée (LEDI) afin d’expliquer comment les partenaires moléculaires appropriés se rencontrent au bon moment et au bon endroit, permettant des réactions biochimiques d’une efficacité remarquable. «Nous avons mis en évidence la réalité de ces interactions(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), une découverte scientifique majeure qui remet en cause des hypothèses de longue date en biologie moléculaire», ajoute Jérémie Torres, du Centre national de la recherche scientifique, CNRS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), qui héberge le projet.
Un biocapteur laboratoire sur puce inédit
Les grandes biomolécules, telles que les protéines, possèdent des modes vibrationnels. Lorsqu’elles vibrent à la même fréquence, ces biomolécules génèrent des forces électrodynamiques à l’origine des interactions cellulaires, appelées LEDI. Comme l’explique Jérémie Torres: «Dans les années 1960, H. Fröhlich a émis l’hypothèse que les LEDI apparaissaient lorsque l’énergie de tous les modes normaux des protéines était canalisée vers le mode de plus basse énergie, créant ainsi ce qu’il appelait une “condensation”». «En nous appuyant sur nos travaux antérieurs, LINkS nous a permis d’apporter de nouveaux éléments de preuve en faveur de ce phénomène.» La détection des LEDI s’était jusqu’alors révélée difficile, car leurs vibrations protéiques collectives se manifestent dans la partie la plus basse du domaine térahertz (THz), et la spectroscopie THz est limitée par la forte absorption de l’eau dans le milieu aqueux des cellules. Pour surmonter cet obstacle, l’équipe LINkS a mis au point un biocapteur THz laboratoire sur puce, dont la configuration permet de limiter les effets de l’absorption de l’eau. La spectroscopie THz(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) est complétée par la diffusion des rayons X aux petits angles(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et la spectroscopie de corrélation de fluorescence(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). Après avoir analysé les protéines à l’aide du biocapteur, les chercheurs ont comparé les résultats aux modèles théoriques d’électrodynamique quantique élaborés par les partenaires du projet. «Nous avons apporté la première preuve expérimentale du modèle de Fröhlich, qui prédit que les protéines peuvent entretenir des vibrations collectives, appelées “condensats de Fröhlich”, lorsqu’elles sont alimentées en énergie», confie Jérémie Torres. L’équipe a identifié et testé diverses sources d’énergie, notamment des processus induits par la lumière (impliquant un couplage exciton-phonon) et l’énergie thermique, démontrant ainsi le rôle crucial de l’environnement local, notamment des couches d’eau environnantes. «Cela ouvre de nouvelles perspectives sur les https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv0346 (mécanismes de transfert de l’énergie au sein des protéines et entre elles)», ajoute Jérémie Torres. «Nous avons même découvert un nouveau type de particule quantique hybride, ou polariton, résultant de l’interaction forte entre la lumière et les oscillations collectives des protéines, une découverte passionnante à la croisée de la physique et de la biologie.»
Thérapies ciblées et nouvelles perspectives en biologie quantique
En apportant ce qui semble être la première preuve expérimentale de phénomènes quantiques à l’œuvre à l’échelle des protéines, les résultats de LINkS ouvrent des perspectives dans de nombreux domaines d’application. «Comprendre comment les champs électromagnétiques influencent les organismes vivants pourrait ouvrir de nouveaux horizons de recherche en médecine et en biologie.» «Si nous parvenons à identifier la signature spécifique des protéines, nous pourrions être en mesure de manipuler leur fonction et leurs interactions avec d’autres partenaires chimiques cellulaires, https://cordis.europa.eu/article/id/415452-innovative-quantum-chemical-software-accelerates-drug-research/fr (ce qui pourrait notamment renforcer l’efficacité des médicaments)», conclut Jérémie Torres. Bien que ces travaux soient déjà en cours, l’équipe explore également les implications de ses découvertes à l’échelle quantique, en étudiant comment la durée (dans le temps et en phase) des états d’oscillation collective pourrait influencer certaines fonctions biologiques, telles que la photosynthèse.
