Dépliement mécanique de macromolécules : revue critique de recherche théorique récente sur transitions conformationnelles causées par l’action d’une force externe

Abstract

Les biopolymères subissent des transformations conformationnelles de dépliement sous l’influence des conditions externes, p.ex., les changements de température, la composition chimique du milieu environnant ou l’application de forces mécaniques, ce qu’on appelle la « mécanochimie ». Ces processus de dépliement peuvent conduire à des résultats très différents selon les circonstances. Dans cette revue, on présente une exploration des approches expérimentales et théoriques employées dans l’étude de la mécanochimie des protéines. En effet, les types de transitions conformationnelles sont déterminées par le jeu entre les interactions (quantiques) électrostatiques et la stabilité des liaisons internes en réponse aux contraintes appliquées. Si bien les mécanismes de ces transitions dépendent de la nature de la chaîne moléculaire, l’influence de la location et les valeurs des charges locales, ainsi que la réorganisation des interactions à courte et longue distance, sont principes communs pour tous les biopolymères. De ce fait, l’étude de dépliement des petites protéines permet d’identifier des principes fondamentaux qui peuvent s’appliquer à d’autres systèmes de transition conformationnelle, même lorsque les mécanismes sous-jacents sont distincts, comme dans le cas des acides nucléiques soumis à des forces mécaniques.

Ici, nous discutons comment les simulations de dynamique moléculaire (MD) mettent en évidence l’influence des charges locales et des conditions environnementales sur la résistance aux déformations mécanochimiques. L’observation, par exemple, de cycles d’étirement de polypeptides en hélice, conduit à définir d’avantage si les transitions se font de façon séquentielle ou de manière coopérative.

Car les expériences et simulations de MD suggèrent des liens entre la distribution des charges électriques et la résistance mécanique, une question se pose : ces principes dérivés des études de protéines, sont-ils applicables aux processus de dépliement des acides nucléiques soumis à des forces mécaniques ?

L’analogie avec les acides nucléiques est particulièrement pertinente, car ces derniers présentent également une organisation hiérarchique de liaisons, incluant des interactions électrostatiques, des liaisons hydrogène et des empilements de bases, qui conditionnent leur stabilité face aux contraintes mécaniques. Comme pour les protéines, la distribution locale des charges et la coopération entre interactions faibles jouent un rôle central dans la réponse mécanique des acides nucléiques. Donc, l’analyse des protéines offre un cadre conceptuel transférable pour expliquer le comportement des acides nucléiques, tout en soulignant les particularités structurelles des acides nucléiques.

Dans ce projet, nous faisons une revue critique des résultats expérimentaux et théoriques du dépliement des biopolymères et nous mettons en lumière les aspects de cette recherche qui demeurent incomplets.