Reconstitution d'une enzyme vieille de deux milliards d'années
Un travail de détective explique la propriété déconcertante des enzymes modernes : "La découverte nous a pris complètement par surprise au sein de l'équipe".
Des chercheurs de l'Université de Leipzig ont résolu une énigme dans l'évolution des enzymes bactériennes. En reconstituant un candidat pour une ARN polymérase spéciale telle qu'elle existait il y a environ deux milliards d'années, ils ont pu expliquer une propriété jusqu'alors déroutante des enzymes modernes correspondantes. Contrairement à leurs ancêtres, elles ne fonctionnent pas en continu et sont donc nettement plus efficaces - ces pauses dans l'activité constituent un progrès évolutif. La reconstruction de la protéine des temps préhistoriques a été rendue possible grâce à une coopération interdisciplinaire entre la biochimie moléculaire et la bioinformatique. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la célèbre revue "Molecular Biology and Evolution".
Voici à quoi ressemble un arbre phylogénétique dont l'origine (au milieu) remonte à deux milliards d'années. Les extrémités des branches représentent chacune l'enzyme d'un organisme moderne.
Diana Smikalla
Les enzymes étudiées sont des nucléotidyltransférases d'ARNt : des enzymes qui fixent trois blocs de nucléotides dans la séquence C-C-A aux petits ARN de la cellule (appelés ARN de transfert) afin qu'ils puissent ensuite fournir des acides aminés pour la synthèse des protéines. Grâce à des reconstructions phylogénétiques, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Mario Mörl (biochimie) et le professeur Sonja Prohaska (bioinformatique) a reconstitué un candidat pour une telle enzyme ancestrale telle qu'elle existait dans les bactéries il y a environ deux milliards d'années. L'équipe de recherche a ensuite comparé les propriétés de l'ARN polymérase reconstruite avec celles d'une enzyme bactérienne moderne.
Les deux enzymes fonctionnent avec une précision similaire, mais présentent de nettes différences en termes de réaction. Jusqu'à présent, il n'était pas possible de reconnaître la tendance des enzymes modernes à interrompre leur activité à plusieurs reprises comme un avantage évolutif. Ce phénomène avait laissé les biochimistes perplexes pendant des décennies. Ce n'est que par comparaison avec le mode d'activité de l'enzyme reconstruite que le mystère a été résolu. L'enzyme ancestrale est processive, c'est-à-dire qu'elle travaille sans interruption, mais élimine de temps à autre des blocs de nucléotides déjà correctement ajoutés. Les résultats montrent que les reconstitutions d'enzymes permettent d'en apprendre beaucoup sur l'évolution et les propriétés des enzymes modernes, et que de nombreuses questions ne peuvent être résolues que par l'interaction entre la bioinformatique et la biochimie - dans un va-et-vient entre les calculs informatiques et les expériences de laboratoire.
Se plonger dans le passé en retraçant les liens de parenté
À partir des séquences de gènes, il est également possible de créer des arbres phylogénétiques évolutifs des bactéries. En partant de la grande diversité actuelle des organismes dans un arbre des espèces, on peut reconstruire le parcours évolutif des gènes individuels le long des relations et des branches, et remonter minutieusement jusqu'à une origine commune.
La reconstruction est essentiellement un processus en trois étapes. Tout d'abord, on recherche dans les bases de données les enzymes modernes correspondantes afin de pouvoir examiner la séquence des éléments constitutifs des acides aminés. Les séquences obtenues peuvent ensuite être utilisées pour calculer ce à quoi la séquence originale aurait dû ressembler. La séquence génique correspondante codant pour l'ancienne enzyme est ensuite introduite dans des bactéries de laboratoire afin qu'elles forment la protéine souhaitée. L'enzyme peut alors être étudiée en détail pour déterminer ses propriétés et être comparée aux enzymes modernes. "Lorsque l'on a appris que l'enzyme reconstruite effectuait l'addition C-C-A, et ce même dans une plage de températures plus large que les enzymes actuelles, cela a été une véritable percée", se souvient Sonja Prohaska.
Optimisation évolutive : Les pauses dans l'activité augmentent l'efficacité
Comme les organismes, les enzymes sont également optimisées par l'évolution. Le travail (la catalyse) effectué par une enzyme est généralement d'autant plus rapide et efficace que la liaison avec son substrat est forte. C'est précisément ce que fait l'enzyme ancestrale reconstituée : elle s'accroche au substrat, l'ARNt, et fixe les trois nucléotides C-C-A l'un après l'autre sans les lâcher. Les nucléotidyltransférases ARNt modernes, en revanche, sont distributives, c'est-à-dire qu'elles travaillent par étapes avec des pauses pendant lesquelles elles libèrent leur substrat à plusieurs reprises. Néanmoins, elles sont plus efficaces et plus rapides que leurs prédécesseurs ancestraux. Cette constatation a laissé les chercheurs perplexes. Pourquoi les enzymes modernes ne cessent-elles de lâcher leur substrat ? L'explication réside dans le phénomène de la réaction inverse, au cours de laquelle les nucléotides incorporés sont à nouveau éliminés par l'enzyme. Alors que la forte liaison de l'enzyme ancestrale au substrat entraîne une élimination ultérieure, la réaction inverse dans les enzymes modernes est presque totalement empêchée par le lâchage du substrat. Cela leur permet de travailler plus efficacement que leurs prédécesseurs.
"Nous avons enfin pu expliquer pourquoi les nucléotidyltransférases ARNt modernes fonctionnent si efficacement malgré leur nature distributive", déclare Mario Mörl. "Cette découverte nous a pris complètement par surprise au sein de l'équipe. Nous ne nous attendions pas à une telle découverte. Nous nous posions la question il y a 20 ans et maintenant nous pouvons enfin y répondre en utilisant des méthodes de reconstruction bioinformatique. Cette coopération étroite entre la bioinformatique et la biochimie existe depuis plusieurs années à Leipzig et s'est avérée, non pour la première fois, être un grand avantage pour les deux parties."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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