Comme Magneto ? Des microcristaux donnent aux aimants un super pouvoir sur les cellules vivantes
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| Marqués par une protéine lumineuse qui leur donne une étrange lueur verte, ces cristaux protéiques en forme d'aiguille sont bourrés de fer. Les scientifiques peuvent ainsi contrôler les cristaux - et les cellules qu'ils contiennent - à l'aide d'un aimant. Bianxiao Cui |
par Jeremy Rehm,
pour Science News for Student, 17 décembre 2019
Imaginez que vous puissiez contrôler
quelqu'un en utilisant un aimant. Ce serait un peu comme Magneto, le
super-vilain dans X-Men. Il peut contrôler tout ce qui est magnétique.
Même le fer à l'intérieur du corps de quelqu'un.
Contrôler les
gens à l'aide d'aimants semble un peu, eh bien, farfelu. Mais des
scientifiques viennent de réaliser quelque chose d'approchant. Ils ont
modifié des cellules pour qu'elles fabriquent de longs cristaux en forme
d'aiguille, riches en fer. Les chercheurs peuvent ensuite utiliser des
aimants pour contrôler les cellules contenant ces cristaux.
Des
enregistrements vidéo montrent ces cristaux riches en fer se déplaçant
vers un aimant puissant. Les cristaux entraînent la cellule entière avec
eux.
Cui et ses collègues n'avaient
pas l'intention de donner aux scientifiques des superpouvoirs comme ceux
de Magneto. Au contraire, leurs nouveaux cristaux de protéines ont été
conçus pour aider les scientifiques à étudier quels neurones contrôlent
les mouvements et les sens d'un animal. Les cristaux fournissent un
élément à l'intérieur d'une cellule que les aimants peuvent attirer.
Cette innovation comble une lacune dans le domaine naissant de la
magnétogénétique (Mag-NEE-toh-jeh-NET-iks).
Les scientifiques de
ce domaine modifient génétiquement les cellules pour qu'elles réagissent
aux champs magnétiques. Désormais, les chercheurs peuvent contrôler à
distance des neurones spécifiques du corps à l'aide d'aimants. Ces
neurones peuvent être ceux qui contrôlent la faim d'un animal. Ou encore
des neurones qui contrôlent les muscles des pattes, de sorte qu'une
souris se met à courir lorsqu'un aimant est à proximité.
Gagner le contrôle magnétique
Un champ magnétique peut activer les neurones qui contiennent des protéines riches en fer. Pour ce faire, il chauffe ces protéines ou leur donne une impulsion mécanique.
Les chercheurs avaient déjà réussi à contrôler les neurones avec de la lumière. Ce procédé est appelé optogénétique. Pour l'utiliser, les scientifiques insèrent des molécules sensibles à la lumière dans les neurones d'animaux vivants. Les chercheurs peuvent ensuite activer ou désactiver les neurones simplement en les éclairant. Grâce à cette technique, les neuroscientifiques ont réalisé des choses incroyables. Ils ont fait courir des souris en rond. Ils ont même redonné du mouvement à la patte paralysée d'un animal.
Mais l'optogénétique a ses inconvénients. La lumière, par exemple, ne peut pas pénétrer profondément dans le corps. Il y a trop d'os, de muscles et d'autres tissus qui la gênent. Les chercheurs doivent donc implanter des fibres optiques dans l'animal pour acheminer la lumière vers les neurones profonds. Cela rend la méthode encombrante et même potentiellement dangereuse.
Le principe de la magnétogénétique est de ne pas avoir à implanter quoi que ce soit, explique Jacob Robinson, qui n'a pas participé à l'étude. Il est neuro-ingénieur et travaille à l'université Rice de Houston, au Texas.
Les cellules situées en profondeur dans le corps pourraient être activées par un simple champ magnétique. Aucune fibre ou opération chirurgicale ne serait nécessaire.
Mais il y a un hic. La seule protéine naturellement présente dans les cellules animales qui soit un tant soit peu magnétique est la ferritine (FAIR-ih-tin). Chaque molécule peut contenir jusqu'à 4 500 atomes de fer. Cela peut sembler beaucoup, mais ce n'est pas le cas. La force générée par un aimant agissant sur la ferritine ne serait qu'un milliardième de celle qui serait nécessaire pour activer un neurone. L'équipe de Cui a donc mis au point des cristaux de protéines capables de transporter suffisamment de fer pour que leurs cellules réagissent aux aimants.
Des cristaux géants au cœur de fer
L'équipe a d'abord extrait le gène permettant de fabriquer la ferritine d'un microbe. Ils ont ensuite fabriqué un morceau d'ADN circulaire contenant deux gènes humains. Ces gènes fabriquent des cristaux longs et creux appelés inka-PAK4 (abréviation de Inkabox-PAK4cat). L'équipe a introduit ces morceaux d'ADN circulaires dans des cellules rénales humaines qui se développaient dans une boîte de Pétri. Un jour plus tard, les premiers cristaux sont apparus.
"Lorsque j'ai vu pour la première fois ces cristaux s'assembler d'eux-mêmes dans les cellules, c'était tout simplement incroyable", se souvient Cui.
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Les scientifiques ont créé des cristaux en forme d'épine qui sont les plus longs cristaux contenant du fer jamais fabriqués en laboratoire ou dans la nature. Beaucoup d'entre eux, y compris ceux de cette image microscopique, sont plus grands que les cellules dans lesquelles ils se sont développés. Bianxiao Cui |
Des cristaux géants au cœur de fer
L'équipe a d'abord extrait le gène permettant de fabriquer la ferritine d'un microbe. Ils ont ensuite fabriqué un morceau d'ADN circulaire contenant deux gènes humains. Ces gènes fabriquent des cristaux longs et creux appelés inka-PAK4 (abréviation de Inkabox-PAK4cat). L'équipe a introduit ces morceaux d'ADN circulaires dans des cellules rénales humaines qui se développaient dans une boîte de Pétri. Un jour plus tard, les premiers cristaux sont apparus.
"Lorsque j'ai vu pour la première fois ces cristaux s'assembler d'eux-mêmes dans les cellules, c'était tout simplement incroyable", se souvient Cui.Les cristaux ont grandi pendant trois jours jusqu'à atteindre une longueur de 45 millionièmes de mètre. Cela représente environ la moitié de l'épaisseur moyenne d'un cheveu humain. Il s'agit des plus grands cristaux de protéines contenant du fer jamais fabriqués en laboratoire - ou dans la nature, précise Cui. Ils étaient même plus longs que les cellules dans lesquelles ils se sont développés. Mais les cellules dans lesquelles ils se sont formés ne se sont jamais déchirées. Elles se sont simplement étirées pour accueillir les cristaux.
Les chercheurs ont ouvert les cellules et en ont retiré les cristaux. Ils les ont ensuite chargés de fer. L'équipe estime qu'elle a placé quelque 8 milliards d'atomes de fer dans chaque cristal avant d'insérer ces cristaux dans des cellules humaines se développant dans une boîte. Ils ont ensuite exposé les cellules à un champ magnétique et ont attendu de voir ce qui allait se passer.
Et les cellules ont bougé.
"La première fois que j'ai vu [les cellules] se déplacer vers l'aimant, j'ai eu l'impression de m'extasier. dit Cui.
Les cristaux ont commencé à se rassembler près de l'aimant. Et les cristaux ont entraîné leurs cellules avec eux. L'équipe a décrit ces résultats en ligne le 25 septembre dans Nano Letters.
Robinson a exprimé son enthousiasme à ce sujet. "C'est un excellent pas en avant", a-t-il déclaré, "vers l'ingénierie des cellules pour créer leurs propres nanoparticules magnétiques".
Les scientifiques ne sont pas sûrs de ce qu'il adviendra des cristaux par la suite. Mais les cellules possèdent les gènes des cristaux. Ainsi, chaque cellule reproduite à partir des cellules d'origine devrait être capable de fabriquer les cristaux, selon M. Cui.
Le fer n'est pas inclus
Aussi prometteurs que soient ces résultats, Cui et Robinson soulignent que ce n'est pas la fin.
"Nous n'avons pas encore atteint l'objectif", déclare Cui.
Idéalement, les chercheurs n'auraient pas besoin de retirer les cristaux nouvellement formés pour les remplir d'atomes de métal. Au contraire, les cellules enrichiraient les cristaux en fer au fur et à mesure qu'elles les construiraient. En fait, le groupe de Cui a essayé trois façons différentes d'introduire du fer dans ses cellules. Ils ont même trempé les cellules dans une solution riche en fer. Rien n'a fonctionné.
L'équipe de Cui note que les cellules conservent généralement un faible taux de fer. On estime que les cellules ne contiennent naturellement que 3 % de la quantité de fer dont les cristaux auraient besoin pour être efficaces.
Selon Mme Cui, il faudrait probablement modifier les membranes externes des cellules. Ensuite, dit-elle, ils pourraient être en mesure de transporter davantage de fer dans une cellule. Quoi qu'il en soit, ces cristaux magnétiques constituent un grand pas en avant dans le jeune domaine de la magnétogénétique. Et les chercheurs sont convaincus que des études supplémentaires permettront de surmonter cet obstacle de l'enrichissement en fer.
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