Changement de chiralité dans les structures biominérales

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Une nouvelle étude nous éclaire sur le changement de chiralité dans les structures biominérales

Des chercheurs de l’Université McGill ont découvert un mécanisme permettant de synthétiser des structures biominérales hélicoïdales s’enroulant dans le sens horaire ou antihoraire en utilisant uniquement soit la forme gauche, soit la forme droite, d’un seul acide aminé acide.

Marc McKee, professeur à la Faculté de médecine dentaire et au Département d’anatomie et de biologie cellulaire de l’Université McGill, a montré, en collaboration avec son équipe et des chercheurs de l’Université Johns Hopkins, que certaines structures biologiques – par exemple la coquille d’escargots terrestres et marins – pouvaient présenter des hélices tournant tant dans le sens horaire que dans le sens antihoraire, et ce, non seulement au sein d’une même espèce, mais également chez un même spécimen.

Le Pr McKee et ses collaborateurs ont construit des structures hélicoïdales chirales (voir l’encadré Qu’est-ce que la chiralité?, ci-dessous) en carbonate de calcium (substance biominérale souvent présente dans les coquilles) par le simple ajout de certains acides aminés. Le résultat de leurs travaux a été publié en ligne dans Science Advances.

Qu’est-ce que la chiralité?

Connaissez-vous Jeremy l’escargot? Ce gastéropode s’est forgé une notoriété en 2016 grâce à sa coquille qui, contrairement à celle de ses semblables, s’enroulait dans le sens contraire des aiguilles d’une montre. En raison de cette anomalie, les chercheurs britanniques qui se penchaient sur son cas avaient bien du mal à lui trouver un partenaire.

Mais en quoi le sens dans lequel s’enroule la coquille de Jeremy importe-t-il? Nous sommes ici devant un phénomène très répandu dans la nature : la chiralité. Un objet est dit « chiral » s’il n’est pas superposable à son image dans un miroir, quel que soit le sens dans lequel on le présente. Ainsi, la coquille antihoraire de Jeremy n’était pas superposable à celle de la grande majorité de ses congénères, qui s’enroule dans le sens des aiguilles d’une montre.

 

À l’instar des mains, dont les images ne sont pas superposables, de nombreuses molécules sont chirales. Il en va ainsi des acides aminés, constituants des protéines, qui ont une forme gauche et une forme droite.

Les scientifiques ont d’abord supposé que la forme hélicoïdale de certaines structures biologiques – par exemple, la coquille de l’escargot ou la défense torsadée du narval – était le fait de molécules chirales provoquant une rotation horaire (forme gauche) ou antihoraire (forme droite). Dans la nature, où l’on peut parfois observer les deux types de rotation, cette hypothèse ne tient cependant pas, puisque généralement, seule la forme gauche des acides aminés et des biomolécules participe aux processus biologiques.

Fait à noter, les chercheurs ont également pu orienter les hélices dans le sens horaire ou antihoraire tout simplement en utilisant uniquement la version gauche ou droite de l’acide aspartique et de l’acide glutamique, acides aminés présents en abondance dans les protéines régissant les processus de biominéralisation dans de nombreux organismes.

« Ces travaux nous aident à comprendre comment un organisme peut posséder des structures biominéralisées tournant en sens opposés », explique le Pr McKee, auteur en chef de l’étude. « Ils nous éclairent aussi sur la survenue de malformations chirales pathologiques chez l’être humain, à savoir celles qui touchent l’otolithe, cette structure de l’oreille interne qui sert à l’équilibration de l’organisme par la détection de la gravité et des accélérations linéaires. Les données issues de nos travaux pourraient donc un jour conduire à la mise au point de traitements contre le vertige, c’est-à-dire la perte d’équilibre. »


Cette étude a été financée par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.

« Chiral Switching in Biomineral Suprastructures Induced by Homochiral L-Amino Acid » de W. Jiang et col. a été publié dans Science Advances.

Légende de l'image 1 : Jeremy l'escargot (sur le dessus) a une coquille en hélice qui tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, contrairement à la plupart de ses semblables. Crédit : Dr. Angus Davison, University of Nottingham

Légende de l'image 2: À l’instar des mains, dont les images ne sont pas superposables, de nombreuses molécules sont chirales. Il en va ainsi des acides aminés, constituants des protéines, qui ont une forme gauche et une forme droite. Crédit : [Public domain], via Wikimedia Commons

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