Des protéines pour réaliser des opérations logiques

Dans les cellules, une proportion importante de protéines a pour fonction la transmission et le traitement de l’information. Dans ce cadre, des enzymes, des canaux ioniques, des récepteurs et des facteurs de transcription interagissent de façon complexe. Des systèmes de contrôle élaborés permettent de réguler le déclenchement et la vitesse de chaque réaction. En particulier, la liaison d’une protéine avec un petit ligand constitue un des moyens les plus souples et universels de changer les propriétés de cette protéine. Ainsi, des ligands peuvent être utilisés pour augmenter ou réprimer l’activité des enzymes et des récepteurs. On sait depuis bientôt cinquante ans qu’une protéine peut commuter d’un état « inactif » à un état « actif » en fonction de la concentration de ligands dans le milieu : en effet, la présence d’un ligand sur un site de liaison modifie la différence d’énergie libre entre les états « actif » et « inactif » de la protéine, ce qui a pour conséquence d’« éteindre » ou d’« allumer » celle-ci. Les protéines qui peuvent se lier à ces ligands représentent un des éléments de base, l’interrupteur logique, dont la cellule a besoin pour réaliser des opérations logiques plus complexes. Deux physiciens théoriciens du Cavendish Laboratory de l’Université de Cambridge ont essayé de comprendre si des protéines pouvaient effectuer des opérations plus sophistiquées. Leurs travaux ont été stimulés par un des exemples classiques d’un processus de transduction du signal, à savoir le réseau de chimiotaxie de la bactérie E. coli. Ce réseau contrôle la réponse de la cellule à des changements affectant son environnement chimique. Une des extrémités de ce réseau est composée de protéines récepteurs appelées MCPs (pour methyl accepting chemotaxis proteins) ; il en existe cinq sortes différentes qui conduisent une réponse à différentes molécules attractives ou répulsives. La liaison avec un ligand attractif ou répulsif influence la conformation du récepteur, ce qui a pour conséquence de modifier le taux de réactions chimiques se produisant dans le domaine de la signalisation. Chaque type de MCPs possède deux sites de liaison, et la plupart de ces types peuvent répondre à la fois à des ligands attractifs et à des ligands répulsifs. Les physiciens de Cambridge ont donc jugé qu’il pouvait être intéressant de vérifier si les récepteurs MCPs pouvaient effectuer des opérations logiques de base et produire des signaux différents en fonction de la combinaison des ligands présents.

En blanc, l’état "inactif" du récepteur, en noir l’état "actif". Le ligand (petit cercle rouge) stabilise la conformation "active" - copyright Ian Graham et al 2005 Phys. Biol. 2 159-165

Il est accepté que les MCPs possèdent deux conformations fonctionnelles distinctes correspondant l’une à un état « actif » et l’autre à un état « inactif ». Les MCPs traduisent donc l’information concernant la composition chimique de l’environnement d’E. coli sous forme d’activité moyenne du récepteur.

Les auteurs de l’étude se sont penchés sur l’étude théorique de différentes protéines. Ils ont considéré les propriétés de commutation :

 d’une protéine susceptible de se lier à un seul ligand,
 d’une protéine qui peut se lier de façon mutuellement exclusive avec deux espèces de ligands,
 d’une protéine qui peut se lier simultanément avec deux ligands.

L’analyse des chercheurs de Cambridge montre que les protéines susceptibles de se lier à plus d’un ligand peuvent réaliser une large gamme de fonctions logiques. En particulier, dans le cas de ligands pouvant se fixer simultanément, toutes les fonctions logiques peuvent être obtenues : toutefois, la porte OU exclusif (la sortie d’une fonction OU exclusif (XOR) à deux entrées est dans l’état 1 si une entrée et seulement une est dans l’état 1) nécessite que les ligands présentent une propriété d’allostérie. Par allostérie, on entend le fait que la configuration de la protéine est modifiée par la fixation des ligands.

La réponse logique des protéines peut être accrue si le système est coopératif, c’est-à-dire si la conformation de chaque protéine influence la conformation des protéines voisines. Dans ce cas, une commutation très pointue peut être obtenue. Cet effet peut s’avérer utile dans le cas de ligands qui n’affectent des cellules que si leur concentration dépasse un seuil critique. La capacité des protéines à délivrer une réponse binaire en fonction d’un input variant de façon continue (i.e. les concentrations de ligands) peut être utile dans le cas d’applications informatiques.

Selon les chercheurs britanniques, les résultats qu’ils ont obtenus impliquent que des protéines sensorielles comme les récepteurs MCPs de E. coli peuvent produire une réponse logique choisie pour un environnement chimique donné. Selon eux, l’évolution peut ajuster les énergies de liaison des ligands et les énergies d’équilibre des différentes configurations afin de produire les réponses logiques souhaitées. Il serait plausible qu’une mutation d’un seul résidu, ou la modification d’une protéine par phosphorylation (l’addition d’un groupe phosphate), change ses fonctions logiques.

Sources : " The logical repertoire of ligand-binding proteins ", Phys. Biol. 2 (2005) 159-165 ; PhysicsWeb, 23/09/05

Auteur : D^r Anne Prost