Le corps humain est fortement dépendant des charges électriques. Des impulsions d’énergie semblables à des éclairs traversent le cerveau et les nerfs, et la plupart des processus biologiques dépendent des ions électriques qui traversent les membranes de chaque cellule de notre corps.

Ces signaux électriques sont possibles, en partie, en raison d’un déséquilibre des charges électriques de part et d’autre de la membrane cellulaire. Jusqu’à récemment, les chercheurs pensaient que la membrane était un élément clé dans la création de ce déséquilibre. Mais cette idée a été renversée lorsque des chercheurs de l’Université de Stanford ont découvert que des charges électriques déséquilibrées similaires peuvent exister entre de minuscules gouttelettes d’eau et d’air.

Maintenant, des chercheurs de l’Université Duke ont découvert que ces types de champs électriques se retrouvent également dans et autour d’un autre type de structure cellulaire appelée condensateurs biologiques. Comme les gouttelettes d’huile flottant dans l’eau, ces structures existent en raison de différences de densité. Ils forment des compartiments à l’intérieur de la cellule sans avoir besoin d’une limite physique de la membrane.

Inspirés par des recherches antérieures montrant que de minuscules gouttelettes d’eau interagissant avec l’air ou des surfaces solides créent de minuscules déséquilibres électriques, les chercheurs ont décidé de voir s’il en était de même pour les minuscules condensateurs biologiques. Ils voulaient aussi voir si ces déséquilibres déclenchaient une réaction réactive de l’oxygène, une réaction « redox », comme ces autres systèmes.

Il est paru dans le numéro du 28 avril du magazine chimieLeur découverte fondamentale pourrait changer la façon dont les chercheurs envisagent la chimie biologique. Cela pourrait également fournir un indice sur la façon dont la première vie sur Terre a exploité l’énergie nécessaire pour émerger.

« Dans un environnement prébiotique qui n’a pas d’enzymes pour catalyser les réactions, d’où vient l’énergie ? » Yifan Dai, un chercheur postdoctoral de Duke travaillant dans le laboratoire d’Ashutosh Chilkuti, a demandé à Alan L. Kaganov, professeur émérite de génie biomédical et à Lingchong Yu, professeur émérite James L. Merriam de génie biomédical.

« Cette découverte fournit une explication plausible de l’origine de l’énergie d’interaction, tout comme l’énergie potentielle transmise à une charge ponctuelle placée dans un champ électrique », a déclaré Day.

Lorsque des charges électriques sautent d’une substance à une autre, elles peuvent produire des fragments moléculaires qui peuvent s’apparier et former des radicaux hydroxyle, qui ont la formule chimique OH. Il peut alors se conjuguer à nouveau pour former du peroxyde d’hydrogène (H2O2) en petites quantités mais détectables.

« Mais les interfaces ont rarement été étudiées dans des systèmes biologiques autres que la membrane cellulaire, qui est l’une des parties les plus importantes de la biologie », a déclaré Day. « Nous nous demandions donc ce qui pouvait se passer à l’interface des condensateurs biologiques, c’est-à-dire s’il s’agissait également d’un système asymétrique. »

Les cellules peuvent construire des épaississants biologiques pour séparer ou confiner certaines protéines et molécules ensemble, soit pour entraver, soit pour améliorer leur activité. Les chercheurs commencent tout juste à comprendre comment fonctionnent les condensateurs et à quoi ils peuvent servir.

Parce que le laboratoire de Chilkoti se spécialise dans la création de versions synthétiques d’épaississants biologiques naturels, les chercheurs ont pu facilement créer un banc d’essai pour leur théorie. Après avoir combiné la formule correcte pour les blocs de construction pour créer de petits condensateurs, avec l’aide du chercheur postdoctoral Marco Messina en ? L’équipe de Christopher J. Chang de l’Université de Californie à Berkeley a ajouté un colorant au système qui brille en présence d’espèces réactives de l’oxygène.

Leur intuition était juste. Lorsque les conditions environnementales étaient réunies, une lueur solide a commencé sur les bords des condenseurs, confirmant l’existence d’un phénomène jusque-là inconnu. Le jour suivant s’est entretenu avec Richard Zare, professeur de chimie Margaret Blake Wilber à Stanford, dont le groupe a établi le comportement électrique des gouttelettes d’eau. Zare était ravi d’entendre parler du nouveau comportement des systèmes biologiques et a commencé à travailler avec le groupe sur le mécanisme sous-jacent.

« Inspirés par des travaux antérieurs sur les gouttelettes d’eau, mon étudiant diplômé Christian Chamberlain et moi avons pensé que les mêmes principes physiques pourraient s’appliquer et améliorer la chimie redox, comme la formation de molécules de peroxyde d’hydrogène », a déclaré Zare. « Ces résultats indiquent pourquoi les suppresseurs sont si importants pour le fonctionnement des cellules. »

« La plupart des travaux antérieurs sur les adsorbants biomoléculaires se sont concentrés sur leurs parties internes », a déclaré Chilkuti. « La découverte de Yifan selon laquelle les condensats biomoléculaires semblent être universellement redox-actifs indique que les condenseurs n’ont pas simplement évolué pour remplir des fonctions biologiques spécifiques comme on le comprend généralement, mais ont également une fonction chimique importante essentielle aux cellules. »

Bien que les effets biologiques de cette interaction continue au sein de nos cellules soient inconnus, Day pointe un exemple frappant de la puissance de ses effets. Les centres de pouvoir de nos cellules, appelés mitochondries, génèrent de l’énergie pour toutes nos fonctions vitales grâce au même processus chimique de base. Mais avant qu’il y ait des mitochondries ou même les cellules les plus simples, quelque chose devait être là pour fournir de l’énergie pour que les premières fonctions de la vie commencent à fonctionner.

Les chercheurs ont suggéré que l’énergie était fournie par des évents thermiques dans les océans ou des sources chaudes. D’autres ont suggéré que la même réaction redox qui se produit dans de minuscules gouttelettes d’eau a été créée par le jet des vagues océaniques.

Mais pourquoi pas des condensateurs à la place ?

« La magie peut se produire lorsque les matériaux deviennent petits et que le volume interstitiel devient énorme par rapport à leur taille », a déclaré Day. « Je pense que les implications sont importantes pour de nombreux domaines différents. »