Les fluctuations thermiques et les modes d’oscillation déterminent l’absorption des bactéries dans les cellules

Comment et avec quel effort une bactérie – ou un virus – pénètre-t-il dans une cellule et provoque-t-il une infection ? Des chercheurs de Fribourg ont maintenant apporté une contribution importante pour répondre à cette question.

Une équipe dirigée par le physicien Prof. Dr. Alexander Rohrbach et son collaborateur Dr. Yareni Ayala a pu montrer comment les fluctuations thermiques d’une bactérie modèle et les modes d’oscillation membranaire d’une cellule modèle influencent l’énergie avec laquelle les bactéries modèles s’amarrent et pénètrent dans la membrane . Les résultats viennent d’être publiés dans la revue Communication Nature.

Comme un bonbon collant sur un ballon bancal

“Pour comprendre comment une bactérie ou un virus pénètre dans une cellule, vous pouvez imaginer un bonbon collant sur un ballon souple et bancal. Lorsqu’un enfant secoue le ballon en caoutchouc, le bonbon colle encore plus à sa surface”, a déclaré Rohrbach, professeur de -Bio- et Nano-Photonique au Département d’Ingénierie des Microsystèmes de l’Université de Fribourg.

Dans son laboratoire, le laser et les biophysiciens ont mis en place une expérience similaire pour étudier la physique des processus d’infection. Le ballon bancal correspond à une vésicule géante uni-lamellaire (GUV), qui sert de cellule modèle biologique. La vésicule membranaire a la taille d’un minuscule grain de sable d’environ 20 micromètres de diamètre.

Le bonbon collant correspond ici à une petite particule ronde d’un micromètre qui sert de bactérie modèle et qui est mise en contact avec la membrane. Les chercheurs utilisent des pincettes laser non seulement pour capturer et maintenir la particule au moyen de forces optiques, mais aussi pour l’approcher de la membrane par petites étapes, pour la contacter et même la déformer jusqu’à ce que la particule glisse dans la bulle membranaire.

Les fluctuations thermiques codent les informations clés

À l’aide de pincettes optiques et de la diffusion de la lumière laser, non seulement les forces et les énergies nécessaires peuvent être mesurées, mais également les mouvements thermiques de la particule, qui sont nécessaires à son absorption. La bulle membranaire et la particule sont en solution aqueuse à température ambiante pendant l’expérience. Les molécules d’eau tirent dans toutes les directions dans le liquide, entrant en collision avec la particule et lui faisant effectuer un mouvement de tremblement caractéristique appelé mouvement brownien ou fluctuations thermiques.

Dans le même temps, les molécules d’eau hautement dynamiques excitent la bulle membranaire pour qu’elle oscille (appelés modes membranaires) avec différentes amplitudes et longueurs d’onde, qui apparaissent et sont à nouveau amorties de manière complètement indépendante les unes des autres.

“Nous supposons”, déclare Alexander Rohrbach, “que les membranes plasmiques des cellules vivantes de notre corps effectuent également des oscillations suramorties similaires et interagissent avec les bactéries en mouvement thermique, ce qui, dans certaines circonstances, conduit alors à l’absorption de particules et à l’infection de la cellule.”

Données de fluctuation sur le piège laser

La force avec laquelle un bonbon s’enroule dans un ballon bancal dépend du caractère collant du bonbon et de l’état du caoutchouc du ballon. De même, une membrane cellulaire possède de nombreux récepteurs qui se lient spécifiquement aux ligands de bactéries s’approchant par exemple.

Ici, les physiciens de Fribourg, en collaboration avec le groupe dirigé par le professeur Dr. Winfried Römer, ont pu à la fois changer les membranes de la cellule modèle et faire varier le revêtement des bactéries modèles afin d’étudier l’influence des fluctuations thermiques à différentes adhérences. forces (“adhésivité”). Römer est professeur de biologie synthétique des processus de signalisation à l’Université de Fribourg.

“Au début, nous étions un peu déçus”, admet Rohrbach, “car les données de fluctuation de la particule dans le piège laser ne différaient guère visiblement pour différentes distances à la membrane ou pour différentes membranes.”

Et ce malgré le fait que les chercheurs ont enregistré des signaux à des intervalles de microsecondes, ce qui leur a permis d’enregistrer des changements infimes dans le mouvement de la particule. Ce n’est que lorsqu’ils ont analysé les données différemment que des différences significatives dans les schémas de mouvement sont soudainement apparues, qu’il fallait maintenant comprendre – à l’aide de méthodes mathématiques et de simulations informatiques, que les physiciens utilisent pour tester leur conception des phénomènes complexes et les interprétations qui suivre d’eux.

Utilisation de la physique des instruments à cordes comme comparaison

Dans les modèles mathématiques, la superposition de nombreux modes d’oscillation joue un rôle décisif. Ici, la physique d’une guitare aide à déterminer quels modes d’oscillation sont supprimés et lesquels sont amplifiés : si vous augmentez la tension d’une corde de guitare, les fréquences des modes d’oscillation deviennent plus élevées en moyenne.

Si la tension de la bulle membranaire est augmentée par plus de pression interne ou une composition chimique différente des molécules membranaires, la bulle oscille en moyenne dans des modes plus élevés. Si vous raccourcissez la longueur d’oscillation de la corde d’une guitare ou d’un violon avec votre doigt, certains modes fondamentaux disparaissent ou sont supprimés, et le son redevient plus aigu.

Si la bactérie entre maintenant en contact avec la bulle membranaire, les oscillations fondamentales sont de plus en plus supprimées et seuls les modes avec des fréquences plus élevées, c’est-à-dire des longueurs d’oscillation plus courtes, survivent. Étant donné que chaque mode d’oscillation de la bulle à membrane a son propre amortissement ou frottement, des simulations informatiques peuvent être utilisées pour estimer l’amortissement et l’amplitude additionnés de tous les modes survivants.

Les mesures et les simulations informatiques ont montré que l’énergie nécessaire à la déformation de la membrane par la particule jusqu’à son absorption complète à l’intérieur de la bulle membranaire dépend fortement de la rigidité et, surtout, de l’amortissement des mouvements de la membrane.

La bactérie pénètre plus facilement dans la membrane

Ces modèles mathématiques et les mesures de mouvement avec un million de positions de particules par seconde peuvent confirmer, par exemple, pourquoi les bactéries avec certaines protéines (ligands) à leur surface se lient plus facilement aux cellules avec certains récepteurs membranaires.

Mais surtout, les modèles mathématiques peuvent être utilisés pour expliquer comment une membrane fluctuante plus forte et moins amortie réduit le coût énergétique et augmente ainsi la probabilité que la bactérie soit absorbée, ce qui correspond à un risque accru d’infection de la cellule.