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Jun 29, 2023

Répulsion entropique du cholestérol

Nature volume 618, pages 733-739 (2023)Citer cet article 12k Accès 75 Détails de Altmetric Metrics Le contrôle de l'adhésion est une caractéristique frappante de la matière vivante qui présente un intérêt particulier en ce qui concerne

Nature volume 618, pages 733-739 (2023)Citer cet article

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Le contrôle de l’adhésion est une caractéristique frappante de la matière vivante qui présente un intérêt particulier en termes de traduction technologique1,2,3. Nous avons découvert que la répulsion entropique provoquée par les fluctuations d'orientation interfaciales des couches de cholestérol limite l'adsorption des protéines et l'adhésion bactérienne. De plus, nous avons constaté que les couches d’ester de cire intrinsèquement adhésives deviennent également antibioadhésives lorsqu’elles contiennent de petites quantités (moins de 10 % en poids) de cholestérol. Des expériences de mouillage, d'adsorption et d'adhésion, ainsi que des simulations atomistiques, ont montré que les caractéristiques répulsives dépendent de la structure moléculaire spécifique du cholestérol qui code pour une réorientation fluctuante finement équilibrée à l'interface d'assemblages supramoléculaires sans contraintes : des couches d'analogues du cholestérol ne différant que par d'infimes variations moléculaires. ont montré une mobilité interfaciale nettement différente et aucun effet antiadhésif. De plus, les couches de cholestérol orientées et fixées n’ont pas résisté à la bioadhésion. Nos connaissances fournissent une perspective physicochimique conceptuellement nouvelle sur les biointerfaces et pourraient guider la conception future de matériaux dans la régulation de l’adhésion.

La vie a développé une multitude de principes puissants pour contrôler l’adhésion, dont certains ont été récapitulés dans les matériaux techniques. Des exemples frappants incluent les feuilles superhydrophobes du lotus sacré1 et les surfaces omniphobes des sarracénies Nepenthes2. Alors que les phénomènes interfaciaux dans la nature sont largement étudiés, les mécanismes physiques sous-jacents au contrôle de la bioadhésion – l’accumulation interfaciale de biopolymères et de cellules (y compris les bactéries) – ne sont pas encore complètement compris. Nous avons précédemment exploré la cuticule omniphobe et antibioadhésive de Collembola (Fig. 1a) et avons constaté qu'elle était constituée de structures nanoscopiques avec des profils transversaux en surplomb (Fig. 1b, c) empêchant le mouillage et la colonisation bactérienne . Plus tard, il a été démontré que l'enveloppe riche en lipides de la cuticule du collembole (Fig. 1c), considérée comme une autre « ligne de défense » contre la bioadhésion, contenait des hydrocarbures aliphatiques, en particulier des stéroïdes, des acides gras et des esters de cire (Fig. 1d et Données étendues Fig. 1)7. Alors que l’on peut raisonnablement supposer que les esters de cire renforcent les propriétés non mouillantes de la cuticule8, le rôle des stéroïdes et des acides gras reste insaisissable. Il a été démontré que les acides gras libres tuent ou inhibent la croissance des bactéries et des champignons9,10, et que les stéroïdes réduisent la bioadhésion sur les éponges et les étoiles de mer11 ; cependant, aucune explication mécaniste de cet effet des stéroïdes n’est disponible. Les composants lipidiques amphiphiles de la cuticule des Collemboles sont également contenus dans les membranes des cellules animales et bactériennes qui jouent un rôle clé dans la compartimentation et l'alignement fonctionnel des machineries moléculaires12. Le cholestérol, en particulier, a été étudié de manière approfondie et sa présence est considérée comme cruciale pour la régulation des domaines lipidiques fonctionnels et l'interaction entre les protéines et les lipides13. Cependant, l’importance fonctionnelle du cholestérol aux interfaces des structures vivantes autres que les membranes cellulaires est sous-explorée.

a, Image de Tetrodontophora bielanensis, un Collembola sp. Barre d'échelle, 1 mm. b, image en microscopie électronique à balayage d'une cuticule de T. bielanensis. Barre d'échelle, 500 nm. c, Schéma en coupe transversale de la cuticule, montrant une structure en couches constituée d'un squelette interne riche en chitine recouvert d'une couche riche en protéines. Une fine enveloppe riche en lipides recouvre la couche riche en protéines. Barre d'échelle, 200 nm. d, Résumé des lipides détectés dans la couche cuticulaire externe de T. bielanensis7. e, couches de lipides cuticulaires des collemboles ; Les SCL contenant du cholestérol facilitent l'adaptation orientationnelle des lipides supérieurs à la polarité de l'environnement. Les mesures ATR – FTIR (Fig. 2 supplémentaire) et l'angle de contact dynamique (Fig. 2c et Données étendues, Fig. 4a) indiquent des molécules de cholestérol hautement ordonnées, la queue d'hydrocarbure de la couche externe de cholestérol étant initialement orientée vers l'interface et les groupes hydroxyle orientés. vers l'intérieur. Les SAM chimisorbés en or via des groupes thiol, avec le côté polaire ou non polaire du cholestérol orienté vers l'interface, ont servi de référence dans des expériences sélectionnées. f – i, quantité adsorbée de protéine (f, i) et de cellules adhérentes normalisées (g, h). Quantité adsorbée de protéines (lysozyme ou sérum bovin fœtal) sur les couches monocomposantes de lipides cuticulaires de collembole (f) et les SCL multicomposants de palmitate de stéaryle et de cholestérol (i), telle que déterminée par des mesures de microbalance à cristaux de quartz. Cellules adhérentes normalisées de S. epidermidis sur des couches monocomposantes de lipides cuticulaires de collembole (g) et des SCL multicomposants de palmitate de stéaryle et de cholestérol (h). Données normalisées à la densité cellulaire adhérente moyenne sur un substrat de silice (SiO2). h, i, les SCL de palmitate de stéaryle pur (100/0) et les SCL de cholestérol pur (0/100) ont servi de contrôles négatifs et positifs, respectivement. f – i, Mean + sd Le nombre d'observations (n) est indiqué. Les valeurs P (comparaison avec la condition de cholestérol SCL en f, g et avec la condition 0/100 en h, i) ont été déterminées à l'aide d'une analyse de variance unidirectionnelle. AU, unités arbitraires.