Funnel-like protein energy landscapes emerge from functional evolution under thermal fluctuations
Cette étude démontre que les paysages énergétiques protéiques en forme d'entonnoir, essentiels à la repliabilité, peuvent émerger spontanément comme une conséquence thermodynamique de la sélection évolutive pour l'activité fonctionnelle sous des températures environnementales spécifiques, sans nécessiter de sélection directe pour la stabilité structurelle.
Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA d'un preprint qui n'a pas été évalué par des pairs. Ce n'est pas un avis médical. Ne prenez pas de décisions de santé basées sur ce contenu. Lire la clause de non-responsabilité complète
Imaginez un monde où de minuscules machines invisibles appelées protéines sont les ouvrières qui font fonctionner la vie. Ces machines sont composées de longues chaînes de blocs de construction appelés acides aminés. Pour qu'une protéine fonctionne, elle doit se tordre et se replier sur elle-même pour adopter une forme 3D très spécifique, comme un origami en forme de grue fait de spaghettis. Si elle se replie mal, elle est inutile. Les scientifiques savent depuis longtemps que ces protéines se replient pour adopter une forme qui est la plus stable et la plus confortable pour elles, un concept appelé « structure native ». Mais voici le grand mystère : comment la nature a-t-elle découvert comment replier ces protéines en premier lieu ?
Pendant longtemps, les scientifiques ont pensé que l'évolution devait spécifiquement « enseigner » aux protéines comment se replier. Ils imaginaient un processus où la nature choisissait les protéines qui étaient douées pour le repliement, tout comme un entraîneur choisissant des athlètes qui sont bons pour la course. Cette idée repose sur un concept appelé « paysage énergétique ». Imaginez ce paysage comme une colline géante et bosselée. Une protéine veut rouler vers le bas (la forme la plus stable). Dans le cas d'une protéine parfaite, cette colline ressemble à un entonnoir lisse, guidant la protéine directement vers le fond sans qu'elle ne reste coincée sur des bosses latérales. Mais et si la nature n'avait jamais réellement essayé d'enseigner aux protéines comment se replier ? Et si elle ne s'était souciée que de ce que la protéine faisait ? C'est la question que pose cet article.
Les chercheurs, Norifumi Maruyama et Macoto Kikuchi, voulaient voir si les protéines pouvaient accidentellement devenir excellentes pour se replier simplement en essayant de bien faire leur travail. Ils ont construit une simulation informatique d'une protéine en utilisant une grille simple, comme un monde de jeu vidéo, avec quatre types de blocs d'acides aminés. Dans leur jeu, le « travail » d'une protéine était de former une minuscule forme spécifique sur sa surface qui sert de station d'amarrage pour d'autres molécules (un site actif). La « fitness » — ou la capacité de la protéine à réussir dans l'évolution — était simplement la probabilité que cette minuscule station d'amarrage se forme correctement pendant que la protéine s'agitait à cause de la chaleur.
Voici le rebondissement : les chercheurs n'ont jamais dit à l'ordinateur de faire en sorte que la protéine se replie facilement. Ils ne lui ont jamais demandé de créer un entonnoir lisse. Ils ont seulement demandé de maintenir cette minuscule station d'amarrage prête pour les affaires. Ils ont fait tourner la simulation à différentes « températures », qui représentaient à quel point la protéine s'agitait.
Ce qu'ils ont découvert était surprenant et magnifique. Lorsque la température était juste assez bonne — assez chaude pour faire bouger la protéine, mais pas assez chaude pour qu'elle s'effondre — les protéines qui étaient les meilleures dans leur travail développaient spontanément des paysages énergétiques lisses et en forme d'entonnoir. C'était comme si les protéines, simplement en essayant de garder leur minuscule station d'amarrage ouverte, apprenaient accidentellement à se replier parfaitement en un toboggan lisse. Le besoin local de maintenir la station d'amarrage ouverte forçait le reste de la protéine à s'organiser en une forme nette et stable.
Cependant, la température importait beaucoup. Lorsque la simulation était très froide, les protéines pouvaient toujours être très bonnes dans leur travail, mais elles ne développaient pas ces entonnoirs lisses. Au lieu de cela, leurs paysages énergétiques ressemblaient à une chaîne de montagnes rocheuse et désordonnée, pleine de petits vallons et de pièges (un paysage de type « verre »). Elles étaient bonnes dans leur travail, mais elles étaient coincées dans un état rigide et désordonné. Cela suggère que les entonnoirs lisses et faciles à replier que nous voyons dans la vie réelle ne sont pas nécessairement là parce que l'évolution a spécifiquement sélectionné un « repliement facile ». Au lieu de cela, l'article suggère que ces entonnoirs sont un effet secondaire naturel du fait de maintenir la fonction d'une protéine active tout en étant secouée par la chaleur.
L'étude a également découvert quelque chose d'autre d'intéressant : même s'il existe des milliards de façons d'arranger les blocs d'acides aminés, les protéines qui étaient les meilleures dans leur travail finissaient toutes par se replier en seulement quelques formes spécifiques. C'est comme si, peu importe le nombre de recettes différentes que vous essayez, seules quelques poignées de gâteaux sont assez savoureux pour gagner le concours.
En résumé, cet article suggère que les chemins élégants, en forme d'entonnoir, qui guident les protéines vers leurs formes finales ne sont peut-être pas une cible directe de l'évolution. Au lieu de cela, ils pourraient être la conséquence thermodynamique du maintien de la fonction d'une protéine vivante dans un monde chaud et agité. Le besoin local de maintenir une forme spécifique pourrait être suffisant pour organiser toute la protéine, transformant une montagne désordonnée en un toboggan lisse, et ce, par accident.
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