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La centrale énergétique de la cellule, Brigitte Meunier

Jeudi 18 octobre 2007 au Centre de Génétique Moléculaire

La fête de la science à peine terminée, le premier jeudi de la recherche de l’année 2007-2008 a eu lieu le 18 octobre au Centre de Génétique Moléculaire sur le campus du CNRS à Gif sur Yvette. Franc succès pour Brigitte Meunier et ses chères levures…


Vous ne vous rendez peut-être pas compte combien un laboratoire de biologie est exigu ! Pas question d’y faire entrer 20 personnes à la fois. Qu’à cela ne tienne ! Brigitte Meunier, chargée de recherche au CNRS, et Cécile Nouet, étudiante en thèse, accueillent tout d’abord le public dans la salle de séminaire du sous-sol de son laboratoire… où elles ont transporté quelques unes de leurs expériences.

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Levures Saccharomyces cerevisiae observées au microscope
Masur, Wikipedia, GFDL1.2

Un petit cube, emballé dans du papier d’alu… une odeur caractéristique de pâte à pain. Oui, c’est de la levure… de son vrai nom Saccharomyces cerevisiae (cerevisiae, mot latin pour « cervoise », bière ô combien gauloise !). La même que celle que Brigitte Meunier étudie. La levure de Brigitte, elle, pousse dans une petite boite circulaire, dit boite de Pétri, renfermant un milieu nutritif à base de glucose. En préambule, le public est invité à regarder un petit dispositif expérimental – une électrode à oxygène – qui mesure la concentration en oxygène dans un petit tube à essai. A peine une petite pointe de spatule de levures introduite dans le tube et la quantité d’oxygène diminue irréversiblement… Les levures respirent ! Certes pas à plein poumons …

Mais qu’est ce que respirer ?

Petit zoom sur la levure : c’est un champignon microscopique, formé d’une seule cellule. Microscopique est bien le mot puisqu’une cellule de levure mesure quelques microns (quelques millièmes de millimètres). Quelques microns qui abritent une machinerie d’une extraordinaire complexité permettant à la cellule de se nourrir, grandir, se reproduire, accomplir toutes ses fonctions... Parmi les nombreuses pièces du puzzle cellulaire, celles qui passionnent Brigitte Meunier sont les mitochondries. Véritables centrales énergétiques des cellules, ce sont elles qui fabriquent l’ATP – le carburant cellulaire – et pour cela, elles ont besoin de l’oxygène. Respirer, c’est consommer de l’oxygène : les levures respirent, tout comme chacune de nos cellules.

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mitochondrie observée au microscope électronique
Department of Biology,
University of New Mexico

Quand on y regarde de plus près, le mécanisme de consommation de l’oxygène est très élaboré. Au sein de la membrane de la mitochondrie, toute une chaîne de réactions chimiques se déroule (voir schéma 1) dont la finalité est de faire circuler un courant d’électrons entre différents enzymes (qui sont formées de plusieurs protéines et d’autres éléments). Ces enzymes sont de véritables nanomachines : parcourues par le courant d’électrons, elles se comportent comme des « pompes à protons » permettant le passage des protons de part et d’autre de la membrane : ce flux de protons va, en phase finale du processus, faire véritablement tourner le moteur moléculaire qui fabrique l’ATP.

chaine de transport des électrons et des protons dans la membrane de la mitochondrie

Un observateur ne « voit » pas tout ça, mais l’évolution de la concentration d’oxygène est un fidèle témoin de cette activité cellulaire. Il existe d’autres méthodes pour surveiller ce passage des électrons, comme par exemple des changements de couleur des enzymes chargées ou déchargées de leurs électrons, quantifiables grâce à des spectromètres [1].
Ainsi, un adulte consomme 380 litres d’oxygène par jour pour produire, au sein de 14.000 m2 de membranes mitochondriales, 65 kg d’ATP immédiatement consommés dans les cellules ! [2]

Quand la machine s’enraye…

Comme pour toute mécanique de précision, il arrive qu’un grain de sable puisse bloquer tout le système. Si l’ATP n’est plus produit en bout de la chaîne, le verdict est sans appel, c’est la mort cellulaire, si la cellule n’a pas d’autre façon d’en fabriquer.
Un exemple de ce que peut être ce grain de sable est le cyanure.
Le transport des électrons d’un enzyme à l’autre peut se faire par l’intermédiaire d’une molécule qui prend l’électron à un enzyme et le donne au suivant. La dernière enzyme de cette chaîne prend de l’oxygène et le transforme en eau. Si son « site d’arrimage » sur l’enzyme est bloqué par une autre molécule – par exemple le cyanure – le courant ne passe plus.

Ce blocage d’un site utile pour le transport des électrons peut être une voie thérapeutique pour neutraliser certaines espèces nuisibles. Ainsi, un médicament anti-paludéen utilise cette possibilité de bloquer la chaîne respiratoire. Evidemment pas avec du cyanure ! Mais avec une molécule exactement « profilée » pour bloquer l’une des « nanomachines » du Psalmodium falciparum (agent du paludisme).

Les levures, des cellules modèles pour les biochimistes et les généticiens

Dans cette mécanique de précision, Brigitte Meunier s’intéresse plus précisément à l’un des rouages : une des enzymes, le complexe III. La propagation du courant d’électrons au niveau de ce complexe se fait grâce à une molécule de quinol qui vient s’y nicher et dépose son électron (voir schéma 2).

Transport normal du courant d'électrons via le complexe III Transport bloqué du courant d'électrons via le complexe III

En 1996, un fongicide efficace a été mis sur le marché pour empêcher la prolifération de champignons sur certaines plantes (comme le froment, le seigle, et d’autres). Il agit en prenant la place réservée à la quinol dans le complexe III du champignon.
Deux ans plus tard, des souches résistantes apparaissaient : que s’est-il passé ?
Au hasard d’une mutation génétique, il est apparu une forme légèrement différente de complexe III, dans laquelle le fongicide inhibiteur ne pouvait plus se loger, mais la molécule de quinol, si. Cette forme a pu résister au fongicide et s’est multipliée.

Des mutations génétiques, Brigitte Meunier sait en provoquer… elle est généticienne ! Pas question d’étudier directement des champignons pathogènes dans son laboratoire, les levures lui servent de modèle. Plusieurs gènes codent pour la construction du complexe III, dont l’un est un peu particulier car il ne se trouve pas sur l’ADN contenu dans le noyau de la cellule mais directement dans l’ADN de la mitochondrie. Brigitte Meunier connaît presque par cœur les 1200 « lettres » - ou bases - qui composent ce gène et grâce à des techniques sophistiquées, mais maîtrisées depuis longtemps par les biologistes, elle est capable d’en changer une, précisément localisée, induisant ainsi une mutation génétique. Son équipe, ou d’autres collaborant avec elle, étudient ensuite le comportement de la levure génétiquement modifiée pour comprendre les effets de cette mutation.

Dans un tout autre domaine que les fongicides ou les médicaments, ces recherches permettent de mieux comprendre les maladies mitochondriales - souvent des maladies neuromusculaires - dont certaines personnes sont atteintes. Il s’agit de mettre en relation des symptômes très divers touchant nombres d’organes vitaux avec des anomalies génétiques qui provoquent des défaut de construction des enzymes des mitochondries.

Un petit tour dans le laboratoire

A l’issue de cet exposé, les participants à ce « jeudi de la recherche » ont pu, par petits groupes, faire le tour des installations : la « paillasse » où Brigitte Meunier manipule ses levures, la salle de cultures où les levures poussent au chaud, à 28° C, les « agitateurs » qui secouent les cultures liquides pour les aérer, les congélateurs où sont stockés précieusement les souches sur lesquelles les chercheurs ont travaillé depuis des années.
Les visiteurs sont repartis avec un peu de l’odeur de pain chaud qui flotte dans l’air de tout le bâtiment du Centre de Génétique Moléculaire et pour les plus jeunes d’entre eux, un mini-tube contenant un mystérieux précipité opalescent… un peu d’ADN ! De quoi épater les copains à la récré !

Compte rendu écrit par Séverine Martrenchard, CNRS-CVC

Notes

[1spectromètre : dispositif expérimental capable de mesurer la longueur d’onde — la couleur — d’une lumière émise.

[2d’après P. R. Rich (2003). The cost of living, Nature, 421, 583.


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