Lorsqu’une protéine se replie, sa chaîne d’acides aminés se tortille et se trémousse à travers d’innombrables conformations avant de former une protéine entièrement repliée et fonctionnelle. Ce processus rapide et complexe est difficile à visualiser.
Maintenant, Martin Gruebelechimiste à l’Université de l’Illinois-Urbana Champaign, et son équipe ont trouvé un moyen d’utiliser le son ainsi que la vue pour mieux comprendre le repliement des protéines. Il s’est associé à un compositeur et développeur de logiciels Carla Scaletticofondateur de Symbolic Sound Corporation, pour convertir des données simulées de repliement de protéines en une série de sons de différentes hauteurs. Les scientifiques ont identifié des modèles dans les sons et ont déduit comment les liaisons entre les acides aminés jouaient un rôle majeur dans l’orchestration du processus de repliement. Les résultats, publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences, aidera les scientifiques à percer les mystères du repliement des protéines.1
« La vision est l’un des moyens les plus évidents et les plus directs de traiter les informations, mais quand on y pense, on utilise beaucoup nos oreilles pour capter les indices de l’environnement et se déplacer. On n’est même pas souvent conscient de la façon dont on utilise les sons pour s’orienter grâce à la vision », explique Gruebele.
Pour leur analyse, l’équipe s’est concentrée sur les liaisons hydrogène, qui sont des liaisons faibles que la protéine forme en interne entre les atomes de ses acides aminés et avec l’eau qui l’entoure. Ces liaisons sont dynamiques, se formant et se rompant rapidement au fil du temps à mesure que la protéine se replie. Comme il ne faut que quelques nanosecondes à quelques microsecondes à une protéine pour se transformer et atteindre sa structure finale, les scientifiques ont dû ralentir le processus lors de leur analyse pour pouvoir capter les sons.
« Nous étions bien ensemble car Martin et son groupe s’intéressent à la dynamique », a déclaré Scaletti. « Pas seulement à la structure spatiale de la protéine, mais aussi à la façon dont elle évolue au fil du temps, et cela semblait être une correspondance parfaite avec le son, car le son n’existe même pas sans le temps. »
Habituellement, les scientifiques visualisent le repliement des protéines à l’aide de simulations de dynamique moléculaire (MD)qui modélisent le mouvement physique des atomes dans la protéine repliée et l’eau qui l’entoure.2
« L’eau est une chose très difficile à visualiser », a déclaré Gruebele. « Les gens résolvent des simulations MD ; il n’y a qu’une seule molécule de protéine dans ces simulations, mais il y a des milliers de molécules d’eau. Et il est difficile de voir ce qu’elles font. Elles semblent simplement se déplacer de manière aléatoire. Carla et moi voulions mettre un peu d’ordre dans ce chaos. »
Les scientifiques ont utilisé le domaine WW, un domaine protéique avec deux résidus de tryptophane conservés, pour modéliser le processus de repliement. À l’aide de données issues de simulations MD du repliement et du dépliage du domaine protéique, ils ont déterminé où une liaison hydrogène pourrait potentiellement se former. Scaletti a ensuite attribué une hauteur à chaque liaison hydrogène. Chaque fois que les conditions étaient réunies pour qu’une liaison se forme, le logiciel émettait un son. Les mélodies résultant de la série de liaisons qui apparaissaient au fil du temps ont informé les scientifiques de la manière dont la protéine changeait dynamiquement de conformation dans l’eau.
Les scientifiques ont pu voir et entendre les différents schémas de formation de liaisons hydrogène (liaison H) lorsque la protéine se repliait ou se dépliait. Une représentation en « piano roll » des probabilités de liaison H pour chacune des transitions de repliement, classées par ordre de durée la plus courte à gauche jusqu’à la durée la plus longue à droite. Le temps est représenté de gauche à droite sur l’axe des x (et plusieurs transitions sont affichées côte à côte pour comparaison). La probabilité d’une liaison est mappée sur la couleur et l’intensité.
Image générée dans Kyma par Carla Scaletti
En écoutant les liaisons hydrogène se rompre et se former au fur et à mesure que la protéine se repliait et se dépliait, l’équipe a pu déceler des schémas dans le bruit. « C’est comme écouter un orchestre symphonique où beaucoup de gens jouent, mais avec un peu d’effort, on peut écouter les joueurs individuellement », a déclaré Gruebele.
L’équipe a utilisé une combinaison de sonification, de visualisation et de calculs physiques pour comprendre comment les liaisons hydrogène contribuaient au repliement et au dépliage de la protéine. Sur la base de leur analyse auditive, ils ont découvert que la protéine suivait plusieurs trajectoires alors qu’elle se précipitait ou se dirigeait vers sa structure repliée. Ils ont appelé les transitions les plus lentes « Méandres », où il semblait que la protéine et l’eau interagissaient de manière erronée, se retrouvant coincées dans une boucle de liaisons hydrogène erronées qui empêchaient un repliement correct avant que les bonnes liaisons ne prennent le relais pour la structure protéique finale. Il y avait aussi des « Autoroutes », où les bonnes liaisons se formaient très rapidement et tout se mettait en place très vite. Les molécules d’eau jouaient un rôle majeur dans la stabilisation de la protéine et la régulation de ces transitions avec leurs propres liaisons hydrogène. « Nous comprenons maintenant pourquoi la protéine aurait évolué avec ces acides aminés particuliers pour créer ces motifs 3D qui lui permettent de se replier », a déclaré Gruebele.
« C’est un bel exemple d’utilisation de la sonification pour la découverte », a déclaré Roseanne Fordingénieur chimiste à l’université de Virginie, qui n’a pas participé à la recherche. « Visuellement, des choses se produisent simultanément dans votre champ de vision – avec plusieurs liaisons hydrogène à différents endroits de la protéine – et vos yeux ne peuvent pas tout suivre. Mais vous pouvez entendre plusieurs sons ou plusieurs hauteurs à la fois, ce qui vous permet d’avoir une idée des changements temporels dans la liaison hydrogène qui sont plus difficiles à obtenir visuellement », a déclaré Ford.
