Principe des interactions électrodynamiques à longue distance. En allumant une source d’énergie externe, les molécules rentrent dans un état vibratoire collectif pouvant générer des forces attractives.

Comment les protéines interagissent-elles au cœur des cellules ? Une épineuse question qui pourrait trouver sa réponse grâce aux travaux d’un consortium international dirigé par Jérémie Torrès, enseignant-chercheur à l’Institut d’Électronique et des Systèmes (IES) de l’Université de Montpellier. Lauréat du prestigieux appel européen FET-Open, ce projet repose sur le développement d’un biocapteur permettant de mesurer directement ces interactions à l’intérieur de cellules vivantes.

Pour un public averti, cette question ne date pas d’hier. Prédites dès le début du XX^ème siècle par l’électrodynamique classique et quantique, les forces intermoléculaires agissant à longue distance (<1000 angströms) n’ont jamais été démontrées expérimentalement. Plus pour longtemps, comme l’explique Jérémie Torrès, enseignant-chercheur à l’Institut d’Électronique et des Systèmes (IES) : « Nous avons trouvé un système d’étude qui permet de démontrer ces interactions entre molécules, qui se trouvent être des protéines. »

Ce « nous », employé par Jérémie Torres, désigne un consortium composé de quatre laboratoires français réunis sous la tutelle du CNRS, dont deux laboratoires montpelliérain [l’IES et le laboratoire Charles Coulomb (L2C)], un laboratoire allemand, un laboratoire suédois ainsi que deux entreprises ; la start-up montpelliéraine TeraKalis et à la société Micronit basée aux Pays Bas. Sous l’impulsion du chercheur montpelliérain et de sa collègue du L2C, Sandra Ruffenach, le projet a été proposé au prestigieux appel européen FET-Open destiné aux actions de recherche et d’innovation (RIA)… et retenu en obtenant la note maximale !

Hasard ou dessein ?

Tout part d’un constat : lorsque des protéines se déplacent dans le cytoplasme, elles s’entrechoquent et sont impliquées dans un nombre très élevé de réactions biomoléculaires sur un laps de temps très court. « Un peu comme lorsque vous commencez une partie de billard en cassant, les boules partent alors dans tous les sens de manière aléatoire », explique Jérémie Torres. « C’est ce qu’on appelle le mouvement brownien. » Si ce constat a longtemps été acceptée comme un dogme, il pose problème : comment ces innombrables réactions peuvent-elles être efficaces si elles ne sont guidées que par le hasard ?

C’est à ce problème que se sont donc attaqués Jérémie Torres et ses collègues. « Nous ne sommes pas les premiers. Dans les années 60, le physicien anglais Herbert Fröhlich l’avait déjà soulevé. » La biologie a d’ailleurs déjà démontré comment, sur des courtes échelles de distance (inférieures à une dizaine d’angströms), des forces bien connues de la physique viennent orienter ces interactions intermoléculaires. « Les forces électrostatiques de Coulomb, de van der Waals, etc. expliquent comment des protéines, lorsqu’elles sont très proches les unes des autres, finissent par s’attirer et se coller pour mettre en place des réactions. Mais ce que l’on ignore c’est pourquoi elles se sont rapprochées ? Y-a-t-il des mécanismes qui leur permettent de s’« appeler »  ? » questionne le chercheur de l’IES.

Signature spectrale

Grâce aux 3,1 millions d’euros accordés par l’Europe dans le cadre du financement FET-Open, les chercheurs vont pouvoir travailler au développement d’une nouvelle technologie permettant de mesurer ces interactions. « Nous travaillons sur un prototype de biocapteur, qui va nous permettre de mesurer ces interactions à partir de la signature spectrale TeraHertz des protéines en milieu aqueux. Nous sommes actuellement les seuls au monde à posséder ce savoir-faire. »

Comme la signature spectrale de chaque protéine lui est propre, elle permettrait de l’identifier de manière non-invasive. Pour la mesurer, les chercheurs vont, en quelque sorte, forcer les protéines à synchroniser leurs oscillations, « comme des métronomes que l’on forcerait à osciller en même temps », ajoute Jérémie Torrès. « Quand les protéines oscillent de manière collective, elles résonnent à une fréquence spécifique qui tombe dans la gamme des TeraHertz. Nous allons mesurer ces résonances afin de mettre en évidence les interactions intermoléculaires à longues portées qui pourraient être à l’origine des mécanismes régissant la dynamique moléculaire à l’intérieur des cellules. »

Sciences physiques vs science-fiction

Si ce projet de recherche s’inscrit majoritairement dans une démarche fondamentale et technologique : mieux comprendre les mécanismes d’attraction entre protéines, il pourrait aussi, à long terme, permettre des innovations thérapeutiques majeures. Comment ? En agissant sur ces mécanismes, voire même en les inhibant, lorsqu’ils sont impliqués dans le développement de certaines pathologies. « Le rêve serait en effet d’établir le rôle joué par une protéine dans une pathologie et de connaître la fréquence à laquelle elle résonne ; on pourrait alors imaginer détruire cette protéine par une onde électromagnétique et bloquer ainsi tout le processus de développement de la pathologie et ce, dans une démarche non destructive pour le reste du corps. Mais là c’est encore de la science-fiction » conclut Jérémy Torres.