Le phosphate, un constituant clé de l’ADN, est une molécule essentielle à la vie. L’arsenate, historiquement utilisé comme poison, est une molécule chimiquement très proche du phosphate. C’est cette similarité qui confère à l’arsenate sa très grande toxicité biologique. Pourtant, certains organismes microscopiques survivent dans des environnements très riches en arsenate. En 2011, une équipe de la NASA émis l’hypothèse dans le journal américain Science qu’un de ces organismes, Halomonas GFAJ-1 (Lac Mono, Californie, USA), utilise et incorpore de l’arsenate dans son ADN, remplaçant ainsi le phosphate et constituant une forme alternative de vie (Wolfe-Simon et al., 2011). Si cette hypothèse a depuis été réfutée par deux études récemment publiées dans Science (Erb et al., 2012 ; Reaves et al., 2012), la résistance exceptionnelle de cet organisme vis-à-vis de l’arsenate est soulignée. Le mécanisme de la survie en présence de grandes concentrations d’arsenate, telles que celle du Lac Mono, reste inconnu. En effet, aucune protéine caractérisée à ce jour n’est capable de discriminer efficacement le phosphate de l’arsenate.
En 2009, Mikael Elias doctorant sous la supervision du Professeur Eric Chabriere, chef de groupe dans la prestigieuse Unité des rickettsies du Professeur Didier Raoult à la faculté de Médecine de Marseille a publié le mécanisme de fixation du phosphate dans des transporteurs bactériens dans le journal de chimie Journal of the American Chemical Society. Le Dr Elias a poursuivi ses travaux au Weizmann Institute of Science (Israel) avec le Prof Dan Tawfik, le Prof Eric Chabriere et une collaboration avec l’ETH Zurich (Suisse).
L’étude, publiée dans le prestigieux journal Nature, concerne des protéines, nommées pstS, qui importent le phosphate de l’environnement vers la cellule. Ces travaux démontrent qu’elles possèdent la capacité unique de discriminer le phosphate et l’arsenate. Grace à l’obtention de données structurales à ultra haute résolution, le mécanisme moléculaire responsable de cette discrimination a été élucidé. Etonnement, cette discrimination repose essentiellement sur une interaction hyper spécifique inédite qui ne peut être optimale qu’avec le phosphate, et non avec l’arsenate, et ce en raison de leur infime différence de taille (4% en volume). Cette spécificité sans précèdent permet d’expliquer la résistance de certains organismes a l’arsenate et leur survie dans ces milieux extrêmes. L’étude montre, par ailleurs, que cette spécificité peut être encore augmentée. En effet, l’analyse de la pstS de la bactérie Halomonas GFAJ-1, organisme extrêmement résistant à l’arsenate, est environ 10 fois plus efficace que toutes les autres protéines testées pour discriminer l’arsenate. Cette capacité accrue suggère que ces protéines ont évoluées spécifiquement pour être extrêmement sélectives.
La mise en évidence de cet exemple unique de spécificité pourrait, en outre, permettre de mieux comprendre les interactions protéines / ligand et les clés de leur spécificité. Ces connaissances pourraient ainsi être utilisées pour développer ou améliorer certaines molécules thérapeutiques.
