Une équipe de chercheurs du département de physiologie et de biophysique de la Weill Cornell Medical School a développé une nouvelle technique informatique pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire des protéines à la concentration spécifique d’ions hydrogène (pH) à laquelle elles fonctionnent. Appelée méthode d’équilibre à pH constant (ECpH), elle présente une avancée significative dans la capacité des simulations informatiques à représenter plus précisément l’apparence des protéines membranaires d’une cellule humaine et leur fonctionnement dans différentes conditions rencontrées dans la vie de la cellule.
Harel Weinstein, directeur de l’Institute for Computational Biomedicine à Weill Cornell Medicine, ainsi que les co-auteurs Ekaterina Kots (qui a développé la méthode) et Derek M. Shore, ont révélé les détails de l’ECpH et exposé les résultats de son application dans un article récemment publié dans la revue Molecules. L’équipe a utilisé le superordinateur Summit de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du département américain de l’Énergie (DOE) au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), pour tester les performances de son code ECpH et effectuer simulations de production approfondies.
“Le fait que de nombreuses protéines fonctionnent à différents niveaux de pH de différentes manières est un problème qui a envenimé la vie des biologistes depuis très longtemps. Quiconque s’intéresse à la compréhension des relations structure/fonction des protéines dans diverses conditions de pH ne peut rien y faire, car ni la détermination de la structure ni le calcul n’ont pu les aider de manière significative”, a déclaré Weinstein. “Maintenant, nous avons développé une nouvelle méthode pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire d’une manière qui nous permet d’examiner la protéine dans toute la plage de pH et de prédire les changements de conformation induits par le pH”.
Les protéines sont les chevaux de bataille des cellules de notre corps, remplissant des fonctions vitales sans lesquelles nous ne pouvons vivre, de l’aide à la formation d’anticorps au transport des nutriments. Le rôle individuel de chaque protéine peut être déterminé en étudiant sa structure unique. Les protéines qui siègent dans les membranes externes des cellules sont chargées de reconnaître les changements à l’extérieur de la cellule, tels que l’introduction d’un médicament, et de les communiquer vers l’intérieur afin que la cellule puisse répondre. Ces protéines peuvent rester logées dans les membranes cellulaires car leur enveloppe externe est formée d’acides aminés hydrophobes. Entre ces composants hydrophobes de la protéine se trouvent des charges positives et négatives qui jouent un rôle majeur dans la reconnaissance des signaux extérieurs et dans le réarrangement de la molécule qui lui permet de transmettre l’information dans la cellule. Cependant, ces résidus chargés sont sensibles aux changements de pH.
Cette représentation montre la transition conformationnelle simulée ECpH d’un dimère moléculaire CLC1-ec enrobé dans une membrane, de sa conformation à pH4 (en jaune) à celle qu’il adopte à pH8 (en gris). La valeur moyenne de l’énergie totale d’un système avec plusieurs sites de protonation dépendants du pH (k) et les probabilités de protonation contenues dans l’ensemble λ(pH) est calculée à partir de la trajectoire de simulation ECpH comme indiqué. © Ekaterina Kots, Weill Cornell Medical School.
Différents niveaux de pH – une mesure de l’acidité des fluides – dans et autour des cellules déclenchent différentes actions des protéines. Si le pH change, certains des résidus chargés négativement peuvent devenir neutres en captant un proton. Ce changement dans la distribution des charges entraînera également une modification de la structure de la protéine. Ce changement de conformation est presque invariablement essentiel pour la fonction.
“En fait, la nature utilise le changement de conformation qui se produit à un pH modifié pour activer ou désactiver des molécules, et cela se produit à la fois dans le fonctionnement normal des protéines et dans la maladie. Le contrôle du pH est un moyen majeur que la nature a mis au point pour contrôler l’activité de ses protéines”, a déclaré Weinstein. “Maintenant, quel est le mécanisme d’activation par les changements de pH? Cela a été difficile à établir. Mais nous le pouvons maintenant, car grâce à la puissance de calcul des ressources modernes de la classe dirigeante: cela dégèle entièrement la protéine. Nous pouvons dire ce qui arrive à la protéine entière dans les nouvelles conditions et quel est le mécanisme en la suivant du début à la fin”.
Weinstein et son équipe ont également dirigé ECpH sur le superordinateur Summit pour vérifier les résultats d’une autre nouvelle technique de calcul développée par les scientifiques de Weill Cornell Medicine pour l’analyse haute résolution des biomolécules: une nouvelle méthode de mesure avec la microscopie à force atomique appelée microscopie à force atomique de localisation ou LAFM. Les techniques de pointe actuelles pour examiner le comportement dynamique des biomolécules sont limitées en raison de leurs approches statiques: la cryo-microscopie électronique fige les molécules à étudier, tandis que la cristallographie aux rayons X repose sur la capacité de cristalliser les molécules, ce qui est une procédure compliquée pour la plupart des biomolécules. LAFM, d’autre part, est une visualisation directe à température ambiante de la dynamique des molécules membranaires.
“Donc, nous avons maintenant une technique qui, en temps réel, sans gel, nous permet d’observer la molécule telle qu’elle se comporte dans la membrane. C’est une énorme avancée”, a déclaré Weinstein. “Comme toute autre méthodologie, elle a ses limites. La limitation est que cette technique est basée sur la microscopie à force atomique et pour les protéines membranaires, elle ne signale que les changements détectables au-dessus de la surface de la membrane”.
Les réarrangements spécifiques de la structure du dimère CLC1-ec révélés par la simulation ECpH ont permis d’interpréter et d’expliquer la réorganisation spatiale observée avec la nouvelle méthode mesurant la dynamique des protéines membranaires par microscopie à force atomique : LAFM, ou microscopie à force atomique de localisation. Les hélices des composants sont représentées par des cylindres colorés identifiés qui changent de position et d’orientation. © Ekaterina Kots, Weill Cornell Medical School.
Bien que la microscopie à force atomique standard puisse esquisser les détails des molécules in situ à l’aide d’une «aiguille» de la taille d’un atome, elle est limitée aux protéines qui dépassent de la surface membranaire d’une cellule. Et parce que ces protéines se déplacent, les images AFM ont tendance à être floues. Pour contrer cet effet, LAFM applique des algorithmes de localisation aux fluctuations spatiales des entités pour créer des images haute résolution. Être capable d’obtenir les changements de structure prévus à diverses valeurs de pH à partir de simulations ECpH a aidé à interpréter les résultats de LAFM dans l’article de Nature. Ensemble, ces innovations produisent des informations structurelles et dynamiques qui dépassent les résolutions d’image des méthodes d’analyse physiologiques et informatiques actuelles. Ils promettent d’apporter une nouvelle compréhension des mécanismes moléculaires.
Le soutien à ce projet est venu du programme Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment du DOE avec une allocation (BIP109) de temps de calcul à l’OLCF, qui est une installation d’utilisateurs du DOE Office of Science soutenue sous le contrat DE-AC0500OR22725.
Publications associées :
1. Kots, E., D. M. Shore, H. Weinstein. “An Equilibrium Constant pH Molecular Dynamics Method for Accurate Prediction of pH-Dependence in Protein Systems: Theory and Application.” Molecules, 2021, 26(22), 6956 (2021).
2. Heath, G.R., Kots, E., Robertson, J.L. et al. “Localization Atomic Force Microscopy“. Nature 594, 385–390 (2021).