Contrôler la circulation des électrons dans les cellules
Le transfert d'électrons survient naturellement dans les mitochondries, les chloroplastes et les unicellulaires comme les bactéries. Les électrons passent d'un donneur (qui perd les électrons et est oxydé) vers un accepteur (qui gagne les électrons, ce qui correspond à une réduction). Ces réactions d'oxydoréduction (redox) sont essentielles au cycle de l'énergie. Des progrès récents dans les techniques d'enregistrement au niveau de la molécule ont été appliqués à des architectures plus grandes, comme l'ADN. Le projet SINGLE-BIOET (Single-molecule junction capabilities to map the electron pathways in redox bio-molecular architectures), financé par l'UE, a étudié les voies du transfert séquentiel des électrons dans une structure de molécules biologiques. Les chercheurs ont étudié l'azurine de bactérie, une métalloprotéine bleue dans laquelle le cuivre subit une réaction d'oxydoréduction, en relation avec la chaîne de transport d'électrons. Ils ont modifié certains emplacements sur la molécule, avec des substances qui augmentent les liaisons, via mutagenèse dirigée. Ils ont ainsi généré des jonctions monomoléculaires à ces emplacements, à la surface de la protéine, pour étudier les principaux paramètres de la chaîne de transfert d'électrons. Les chercheurs ont défini la technique expérimentale pour créer des jonctions monomoléculaires. Ils ont testé les résultats par des méthodes électrochimiques et par fluorescence les résultats de la mutagenèse dirigée. Ils ont mesuré la conductance pour l'azurine normale et mutée, obtenant des informations sur l'usage de la technique expérimentale et sur le transport d'électrons. Les différences de conductance observées ont démontré la possibilité de moduler le transport de charges dans des dispositifs moléculaires de taille nanométrique, en modifiant ponctuellement un site du squelette de la molécule. L'application de la méthode de mutagenèse dirigée a permis de sélectionner les neuf résidus de la structure externe de l'azurine. Les chercheurs ont caractérisé tous les mutants purifiés, en termes d'activité et de repliement structurel. Ils ont comparé le transport par le type normal et les mutants, obtenant des informations sur les voies à travers la structure complexe de la métalloprotéine, ainsi que des détails techniques sur la formation de ponts monomoléculaires. Les mesures de conductance d'une seule molécule ont montré une dispersion inférieure à celle du type normal. Ceci souligne l'orientation plus contraignante de la molécule, grâce à la liaison thiol plus forte entre les deux électrodes de jonction. Les protéines mutées avaient en outre une durée de vie supérieure, comme l'a montré un outil clignotant récemment mis en œuvre. Enfin, les chercheurs ont constaté que la réponse électrochimique de fils constitués d'un seul mutant différait totalement de celle du type normal, démontrant la possibilité d'un transport de charges sous contrôle biologique, dans un fil nanométrique de molécules biologiques. La caractérisation des mécanismes de transport des charges aura un impact majeur sur le nouveau domaine de la bioélectronique. Elle facilitera l'intégration de structures biologiques à des dispositifs optoélectroniques.
Mots‑clés
Transport d'électrons, bioélectronique, redox, SINGLE-BIOET, métalloprotéine azurine
