08 Nov Une recette secrète pour des cristaux animaux colorés et polyvalents
Des chercheurs de l’Institut Weizmann découvrent comment les cristaux se forment dans le règne animal et montrent que deux molécules simples peuvent créer un éventail vertigineux de caractéristiques biologiques complexes.
Qu’ont en commun les poissons, les caméléons, les crabes et Walter White, le professeur de chimie de Breaking Bad? La réponse est qu’ils savent tous fabriquer des cristaux. Mais contrairement à l’incorrigible White, qui fabriquait des cristaux de méthamphétamine à des fins criminelles, les autres fabriquent des cristaux naturels à des fins bien plus saines : vision, camouflage, régulation de la chaleur, communication, etc.
(l-r) Rachel Deis, Dr. Tali Lerer-Goldshtein et Dr. Dvir Gur
Bien que la plupart des cristaux produits par les êtres vivants à l’intérieur de leurs cellules ne soient constitués que de deux molécules – la guanine et l’hypoxanthine – la diversité qui en résulte est époustouflante en termes de formes, d’utilisations et de propriétés optiques. Les chercheurs ont été fascinés par la capacité des animaux à créer une telle variété à partir de deux éléments de base simples, mais jusqu’à présent, il n’y avait pas d’explication satisfaisante à cette richesse de cristaux dans le monde animal. Dans une étude publiée récemment dans Nature Chemical Biology, des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences ont résolu le mystère et fourni une description complète des « recettes biologiques » que les cellules utilisent pour préparer un menu de cristaux aussi varié et utile.
Le héros de l’histoire est le poisson-zèbre, un petit poisson d’eau douce visuellement étonnant dont le corps est recouvert de cristaux colorés. Des photos en gros plan révèlent que ses tissus contiennent différents cristaux : Alors que l’opercule, qui protège les branchies, est argenté, les yeux reflètent une lumière bleutée et les cellules de la peau sont d’un jaune ou d’un bleu étincelant.
« En essayant de comprendre pourquoi les cristaux sont différents, nous les avons isolés des tissus et avons découvert qu’ils étaient très différents les uns des autres en termes de forme, de composition et de disposition dans la cellule », explique le Dr Dvir Gur, du département de génétique moléculaire de Weizmann, qui a dirigé l’équipe de recherche.
Le menu des cristaux du poisson-zèbre : Les cristaux de l’opercule des branchies (rangée du haut) sont longs et étroits, ceux de l’œil (rangée du milieu) sont plus courts et ceux de la peau sont les plus courts.
À l’aide d’un microscope électronique, l’équipe a observé que les cristaux se formant dans l’opercule des branchies étaient longs et étroits, tandis que ceux des yeux étaient plus courts et que ceux de la peau étaient les plus courts. « Nous avons réalisé que les cristaux du poisson-zèbre nous offrent une opportunité de recherche parfaite pour comprendre comment la structure et les propriétés des cristaux sont contrôlées biochimiquement et génétiquement, sans avoir à comparer les cristaux formés dans différents animaux ayant des constitutions génétiques différentes », ajoute Gur.
En examinant de plus près les différents cristaux du poisson-zèbre, les chercheurs ont remarqué que leur forme était influencée par le rapport entre les quantités de molécules de guanine et d’hypoxanthine présentes dans les cristaux. Cet effet ressemble à ce qui se passe dans le travail d’un boulanger, qui peut choisir un équilibre approprié d’ingrédients pour créer différents délices : plus de crème que de chocolat, par exemple, produira une mousse aérée, tandis qu’un rapport équilibré ou inférieur produira une ganache parfaite pour le fourrage ou le glaçage. De même, des rapports différents entre la guanine et l’hypoxanthine dans le cristal modifieront sa structure et ses propriétés optiques et, par conséquent, la manière dont l’organisme l’utilise. Après avoir mesuré la proportion de ces éléments moléculaires dans différents cristaux de poisson, les chercheurs ont réussi à recréer artificiellement en laboratoire trois cristaux de poisson zèbre différents, chacun contenant des proportions différentes de guanine et d’hypoxanthine.
Les protéines qui remettent la lumière dans les branchies
Mais la guanine et l’hypoxanthine ne sont pas seulement des éléments constitutifs des cristaux. Ce sont également des molécules vitales que tous les êtres vivants utilisent et qui sont essentielles à la construction de l’ADN et au bon fonctionnement des cellules. Pour mieux comprendre le mécanisme qui régule leur proportion dans les cristaux et pourquoi la production de ces cristaux ne perturbe pas d’autres processus cellulaires, Rachel Deis, la doctorante qui a mené la recherche, a isolé les cellules productrices de cristaux, appelées iridophores. Elle a ensuite décrypté, en collaboration avec une équipe de recherche interdisciplinaire, les mécanismes biologiques qui leur permettent de créer des cristaux sur mesure.
« C’est la première fois que nous parvenons à isoler les iridophores, à identifier les protéines qu’ils contiennent et à les comparer à des cellules qui ne produisent pas de cristaux », explique M. Deis. « Lorsque nous avons examiné la liste des protéines présentes dans les iridophores, nous avons été surpris de découvrir deux tendances apparemment contradictoires. D’une part, les iridophores contenaient une quantité particulièrement importante d’enzymes responsables de la formation des éléments constitutifs des cristaux ; d’autre part, ils contenaient des quantités plus faibles que prévu d’autres enzymes ayant des fonctions similaires et appartenant à la même famille de protéines. »
Poisson zèbre avec (rangée du haut) et sans (rangée du bas) la capacité d’exprimer une enzyme appelée pnp4a, qui est essentielle au processus de production de cristaux. Une image rapprochée de l’œil du poisson (au centre) révèle que sans cette enzyme, la couleur de l’œil change et les cristaux dans le tissu (à droite) sont plus courts et plus carrés que d’habitude.
Ces résultats ont conduit les chercheurs à soupçonner que chaque groupe d’iridophores possède un équilibre unique d’enzymes, et que cet équilibre unique dans la cellule est ce qui détermine le rapport entre les éléments constitutifs de chaque cristal et, par conséquent, la structure et la fonction du cristal dans les différents tissus. « Les humains n’ont qu’une seule enzyme responsable de l’étape finale de la préparation de la guanine ; chez les poissons, nous avons identifié cinq enzymes différentes », explique M. Gur. Cette multitude d’enzymes chez les poissons leur permet de produire différents ratios de guanine et d’hypoxanthine, les éléments constitutifs utilisés pour former les cristaux, sans perturber d’autres fonctions cellulaires.
Les chercheurs ont finalement mis le mécanisme à l’épreuve. Ils ont créé un poisson incapable d’exprimer une enzyme connue sous le nom de pnp4a, l’une des enzymes nécessaires à la production de guanine cristalline. Chez un poisson zèbre normal, cette enzyme est présente en grande quantité dans les iridophores de l’œil et en moindre quantité dans les iridophores de la peau. Lorsque les chercheurs ont créé un poisson incapable d’exprimer cette enzyme, les cristaux dans ses yeux étaient moins nombreux et ils ont changé de forme, passant d’une forme allongée à une forme carrée, devenant ainsi similaires à ceux observés dans la peau du poisson. L’expérience a confirmé que chaque groupe de cellules possède un équilibre enzymatique unique et que, lorsque cet équilibre est rompu, les éléments constitutifs de la cellule se modifient, ce qui entraîne une modification de la structure de ses cristaux.
« Nous avons réussi à révéler toute l’histoire du début à la fin : des gènes qui permettent aux poissons de produire une grande variété d’enzymes ayant des fonctions similaires mais différentes, en passant par le niveau d’expression unique de chaque enzyme dans les cellules, jusqu’à la manière dont la présence des enzymes détermine le rapport entre les différents éléments constitutifs des cristaux – et donc leurs caractéristiques », résume M. Gur. Les chercheurs attribuent leur succès dans la découverte de l’ensemble du mécanisme à la nature interdisciplinaire de l’équipe de recherche, qui a vu des biologistes travailler aux côtés d’experts en optique et en biomatériaux. Ces résultats nous permettent non seulement de mieux comprendre la nature et d’imiter ses matériaux, mais aussi de mettre en évidence la beauté et la simplicité de la nature : comment deux structures moléculaires simples produisent une telle richesse de fonctions biologiques complexes.
La Science en Chiffres
Les cristaux se forment chez le poisson zèbre environ 44 heures après la fécondation des œufs. Chaque cellule productrice de cristaux contient environ 300 cristaux, et chacun d’entre eux est composé d’environ 4 milliards de molécules de guanine et d’hypoxanthine.
