La biophysique pour comprendre l’émergence de fonctions moléculaires complexes

Le filament  grandit d’une extrémité et se raccourci exactement à la même vitesse à l’autre extrémité. Ce mouvement unidirectionnel est similaire à un tapis roulant d’où le nom anglais de ce mécanisme de moteur moléculaire bien connu : le treadmilling. Crédit image : Amine Mehedi, UNIGE

Vers une meilleure compréhension de la théorie de l’évolution

Si la théorie de l’évolution permet de comprendre comment des caractéristiques existantes sont naturellement sélectionné par des facteurs environnementaux, la manière dont plusieurs nouveaux attributs nécessaires à des mécanismes biologiques complexes émergent conjointement au cours de l'évolution est limitée. L’étude de Karsten Kruse, professeur ordinaire du département de Biochimie de l’Université de Genève et du Centre National de Compétences et Recherche en biologie chimique (NCCR Chemical Biology) et de Zena Hadjivasiliou, actuellement cheffe d’un équipe de recherche à l’Institut Crick, Londres, et à University College London, à découvrir dans Physical Review Letters, pourrait conduire à une meilleure compréhension de la théorie de l'évolution en montrant comment une fonction complexe peut apparaître au cours de l’évolution : le fonctionnement d’un moteur moléculaire.

Une simulation du hasard et un résultat fascinant

Dans cet article, les chercheurs considèrent un système assez simple : un filament constitué de briques dont la taille peut être modifié en ajoutant ou retirant des briques aux deux extrémités. La simulation n’impose qu’une seule et unique contrainte : la taille moyenne du filament, le système est libre de choisir les vitesses d’ajout et de suppression des briques et leurs affinités pour les deux extrémités. En imposant uniquement cette contrainte et en laissant le système évoluer les autres paramètres, les chercheurs ont fait un constat surprenant : leur simulation converge systématiquement vers une dynamique d’un filament qui grandit d’une extrémité et se raccourci exactement à la même vitesse à l’autre extrémité. Ce mouvement unidirectionnel est similaire à un tapis roulant d’où le nom anglais de ce mécanisme de moteur moléculaire bien connu : le treadmilling.

Le treadmilling est un type de moteur moléculaire particulièrement présent dans des bactéries dans lesquelles il est impliqué à distribuer l’ADN également sur les cellules filles. On le retrouve aussi pour les filaments d’actine, une des protéines majeures composants les muscles, par exemple dans les cellules ciliées de l’oreille interne de l’homme.

Prof. Kruse explique « jusqu’à présent, comment apparaissent des fonctions complexes au cours de l’évolution est peu compris. Ce travail montre qu’un facteur de sélection physique simple et statique permet l’apparition d’un mouvement unidirectionel ». Dr. Hadjivasiliou ajoute que « ces résultats révèlent que les contraintes physiques imposées à l'auto-assemblage moléculaire déterminent la dynamique évolutive et peuvent conduire à l'émergence de fonctions complexes ».