Des physiciens découvrent la loi quantique du repliement des protéines

La célèbre relation d'Arrhenius affirme que les choses se passent plus vite à mesure qu'elles deviennent plus chaudes. En chimie, c'est généralement vrai, mais il y a une exception importante : la vitesse à laquelle les protéines se replient dans leur forme fonctionnelle.

Il est facile de penser que les protéines devraient se replier plus rapidement lorsqu'elles refroidissent, puis se déployer plus rapidement lorsqu'elles se réchauffent. Mais la relation réelle est à la fois non linéaire et asymétrique, ce qui signifie que le dépliage n'est pas l'inverse du pliage.

Les biologistes moléculaires ont avancé divers mécanismes pour expliquer cela, comme l'interaction non linéaire entre l'eau et les parties hydrophobes des protéines. Mais aucun de ceux-ci n'est très convaincant.

Cela devrait changer avec les travaux de Liaofu Luo à l'Université de Mongolie intérieure et de Jun Lu à l'Université de technologie de Mongolie intérieure, tous deux en Chine. Ils disent que la façon dont le pliage dépend de la température devient claire dès que l'on prend en compte la mécanique quantique.

Tout d'abord, un peu de contexte sur le repliement des protéines. Les protéines sont de longues chaînes d'acides aminés qui ne deviennent biologiquement actives que lorsqu'elles se replient en des formes spécifiques et très complexes. Le casse-tête est de savoir comment les protéines le font si rapidement lorsqu'elles ont le choix entre autant de configurations possibles.

Pour mettre cela en perspective, une protéine relativement petite de seulement 100 acides aminés peut prendre environ 10^100 configurations différentes. S'il essayait ces formes au rythme de 100 milliards par seconde, il lui faudrait plus de temps que l'âge de l'univers pour trouver la bonne. Comment ces molécules font le travail en nanosecondes, personne ne le sait.

Ce qu'ils savent, cependant, c'est que la vitesse à laquelle ils se replient est très sensible à la température et les biologistes disposent d'une quantité importante de données montrant exactement comment ces vitesses varient. Le tracé de ces données conduit à diverses courbes inattendues.

Aujourd'hui, Luo et Lo disent que ces courbes peuvent être facilement expliquées si le processus de pliage est une affaire quantique. Selon la pensée conventionnelle, une chaîne d'acides aminés ne peut changer d'une forme à une autre qu'en passant mécaniquement à travers diverses formes entre les deux.

Mais Luo et Lo disent que si ce processus était quantique, la forme pourrait changer par transition quantique, ce qui signifie que la protéine pourrait « sauter » d'une forme à une autre sans nécessairement former les formes intermédiaires.

Luo et Lo explorent cette idée en utilisant un modèle mathématique de la façon dont cela fonctionnerait, puis dérivent des équations qui décrivent comment le taux de pliage quantique changerait avec la température. Enfin, ils adaptent les prédictions de leur modèle à certaines expériences du monde réel.

Leur résultat étonnant est que ce modèle de transition quantique s'adapte aux courbes de repliement de 15 protéines différentes et explique même la différence de taux de repliement et de dépliement des mêmes protéines.

C'est une percée importante. Les équations de Luo et Lo constituent les premières lois universelles du repliement des protéines. C'est l'équivalent en biologie de quelque chose comme les lois thermodynamiques de la physique.

Des trucs impressionnants. Et ne vous attendez pas à ce que cela se termine ici.

Divers groupes trouvent des preuves de processus quantiques à l'œuvre dans tout, de la photosynthèse à la navigation des oiseaux .

Si la mécanique quantique joue un rôle clé dans le repliement des protéines, son importance dans le fonctionnement d'autres machines cellulaires ne fait guère de doute. Ce ne peut être qu'une question de temps avant que les vannes ne s'ouvrent pour les biologistes quantiques.

Réf : arxiv.org/abs/1102.3748 : Dépendance de la température du repliement des protéines déduite de la transition quantique

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