On relie deux innovations majeures avec l'adaptation des membranes plasmiques aux pH et températures extrêmes: la synthèse de lipides transmembranaires bipolaires et la liaison éther des chaînes carbonées sur la molécule de glycérol.
Les lipides bipolaires forment des monocouches avec une tête polaire de chaque côté de la membrane. Les monocouches sont plus rigides, moins perméables et plus résistantes thermiquement que les bicouches. Les liaisons éther augmentent la stabilité thermique, la compaction et donc l'imperméabilité des membranes. Ainsi, l'absence d'éther des lipides bipolaires est supposée être la raison principale de la limitation en température chez les bactéries. Cependant, il existe aussi de nombreuses Archaea hyperthermophiles capables de croître à plus de 100°C, dont la membrane ne contient aucun lipide bipolaire, ce qui implique qu'une bicouche pourrait elle aussi être stable à plus de 100°C. En réponse à ce dilemme, nous avons proposé une nouvelle architecture membranaire. Notre modèle prévoit l'intercalation de lipides apolaires dans le plan médian de la membrane, dont la présence réduit le transfert de charges entre les deux faces de la membrane, décroit la perméabilité et augmente la stabilité.
Le but de ce projet est de démontrer expérimentalement la validité de ce modèle et d'en démontrer les caractéristiques fonctionnelles et ainsi expliquer l'adaptation des membranes des Archaea hyperthermophiles. Pour cela, nous proposons de comparer les propriétés physiques et chimiques de membranes naturelles et synthétiques, en présence ou non de lipides apolaires, reproduisant les membranes des Archaea, afin d'identifier la contribution relative de chaque type de lipides et de chaque partie de ces lipides dans la stabilité membranaire. Pour ces expériences, nous synthétiserons des di- et tétraether de lipides. Travailler avec des lipides de synthèse permet une meilleure interprétation des données structurales, alors que travailler avec des lipides naturels permet d'explorer des effets non anticipés des lipides naturels. Les résultats nous permettront de caractériser les paramètres d'ordre, la taille, la forme, et la présence de domaines membranaires ainsi que la stabilité, la perméabilité et la viscosité des membranes en fonction de leur composition. En raison du contrôle des compositions en lipides, nous pourrons assigner les variations des paramètres aux variations de composition, et construire un modèle complet du comportement de la membrane et des principes gouvernant ce comportement pour la membrane des Archaea.
Le projet ArchaeoMembranes pose une question fondamentale d'intérêt général et philosophique concernant la vie en milieu extrême, et in fine, à propos de l'origine des premières cellules sur Terre. Dans ce projet, nous proposons de jeter les bases d'une nouvelle architecture de membrane, dont la démonstration constituerait une avancée majeure en science des membranes, et sur notre compréhension de la membrane plasmique. Nos résultats préliminaires démontrent clairement que cette ultrastructure peut exister in vitro. En obtenant une démonstration qu'elle existe effectivement in vivo, et que ces caractéristiques physiques et physiologiques sont celles prédites par le modèle, aura un retentissement important sur la communauté, car elle implique la possibilité d'avoir dans une même cellule procaryote des domaines membranaires de composition, et donc de fonctionnalité, différents, c'est-à-dire des structures équivalentes aux radeaux membranaires des cellules eucaryotes. Les implications qui en découlent en terme de physiologie cellulaire sont nombreuses et variées. Enfin, cette redéfinition des caractéristiques de la membrane plasmique aura sans aucun doute des applications biotechnologiques.
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