Dans le vivant, la membrane lipidique est la première garante de l’intégrité des cellules, ce qui en fait également une cible de choix pour les pathogènes. Elle peut notamment être visée par les perforines, une grande famille de protéines dont la mission est de percer la membrane cellulaire et de permettre l’infiltration dans la cellule de composants qui provoqueront sa fin.

trois perforines devant une tramway ancien
Portrait de famille de trois perforines (issues du pleurote, de la bactérie aeromonas, et de clostridium, de gauche à droite), de bon matin avant de partir au turbin.

Les perforines sont un élément du système immunitaire des vertébrés, et sont produites par les lymphocytes dans le cadre de leur lutte contre les cellules virales ou cancéreuses. Mais on les retrouve aussi dans les venins d’animaux, et chez des pathogènes, bactéries ou champignons. Ces protéines solubles se regroupent à la surface de la membrane lipidique et s’assemblent en une arme de destruction massive composée de cinq à quelques dizaines d’éléments, qui va percer un pore de taille variable (de deux à vingt nanomètres) dans la membrane. La cellule ainsi attaquée peut alors mourir directement, ou bien, c’est l’injection de protéines additionnelles à travers le pore formé qui l’achèvera.

Des p’tits trous, des p’tits trous partouts : une galerie de pores formés par des perforines fongiques, bactériennes ou humaines.

Si on connait cette famille depuis déjà une quarantaine d’années, il a fallu du temps aux scientifiques pour élucider le mécanisme par lequel les perforines parviennent à s’assembler et à pénétrer la membrane. Couplées à des approches de modélisation, les structures déterminées par cryo-EM (qui est une technique particulièrement adaptée pour déterminer la forme des grands assemblages biomoléculaires) ont permis de mieux comprendre les différentes étapes de formation du pore, et ont montré comment chaque perforine va fortement se déformer pour pénétrer la membrane lipidique.

Perforine du pleurote avant (magenta, pdb 4OEJ) et après (cyan, pdb 4V2T) formation du pore. Le domaine à droite de la protéine va basculer et s’allonger pour pénétrer dans la membrane.
Animation montrant la formation d’un pore par l’aerolysine bactérienne.

Les perforines sont bien sûr des objets protéiques fascinants, mais elles offrent également des perspectives nouvelles du côté des biotechnologies. Des équipes de recherches ont ainsi pu démontrer que le pore formé par l’aérolysine pouvait être exploité pour la détection de molécules uniques, et même leur identification. En effet, si l’on fait passer un signal électrique à travers le pore, celui-ci sera perturbé à chaque fois qu’une molécule diffusera cans celui-ci. Et la forme du signal perturbé permet alors d’identifier la molécule perturbatrice. Grace à cette propriété, différentes applications peuvent être envisagées pour le nanopore d’aerolysine, dont la séquence a été modifiée pour augmenter sa sensibilité. La détermination d’une séquence d’ADN (ou il faut différencier les quatre bases), mais également le séquençage d’une protéine (soit la différenciation de vingt acides aminés), ou même l’identification de différents énantiomères d’une même molécule.

Au final, les poinçonneuses de la cellules savent faire bien plus de choses que des petits trous !