Comment l’organisme transforme-t-il les aliments en carburant ?

Les processus chimiques qui ont lieu dans les cellules vivantes pour maintenir la vie sont complexes et fascinants. Cet univers moléculaire, que l’on nomme métabolisme, est au cœur de chaque organisme vivant, de l’Homme au mollusque. Une récente étude publiée dans Science Advances apporte un éclairage sans précédent sur ces mécanismes. Grâce à une technique innovante, les chercheurs peuvent maintenant suivre des atomes de carbone spécifiques à travers les acides aminés, offrant une résolution jamais vue auparavant pour comprendre le métabolisme dans toute sa complexité.

Les limites des méthodes traditionnelles

Les isotopes sont des variantes de masse distinctes d’un même élément chimique. Par exemple, le carbone 12, la forme la plus fréquente de l’élément, existe également sous la forme d’un isotope légèrement plus lourd, le carbone 13. Pour en savoir plus sur l’organisme qui a produit des composés biologiques tels que les protéines, les scientifiques peuvent examiner le rapport entre les isotopes lourds et les isotopes légers dans ces molécules.

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Les méthodes traditionnelles d’analyse du métabolisme se sont souvent limitées à l’examen des isotopes de protéines complètes. Même si ces techniques fournissent certaines informations sur l’alimentation et d’autres aspects du métabolisme, elles manquent de précision. De la même manière, examiner le métabolisme via le rapport isotopique d’une protéine entière ne donne qu’une image partielle de la réalité.

Certains progrès ont été réalisés en mesurant les isotopes dans chacun des 20 acides aminés qui composent les protéines, mais cette méthode reste limitée. Elle est certes plus détaillée que l’approche précédente, mais elle manque toujours de la nuance nécessaire pour comprendre les subtilités du métabolisme.

La révolution isotopique : suivre l’atome

La nouveauté de l’étude réside dans sa méthode d’analyse à l’échelle atomique. Les chercheurs ont utilisé la ninhydrine, un réactif chimique, pour isoler un atome de carbone spécifique dans chaque acide aminé. Ensuite, ils ont utilisé un spectromètre de masse pour mesurer les ratios isotopiques. Cette approche permet d’obtenir une image beaucoup plus détaillée du métabolisme cellulaire. 

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Les empreintes isotopiques reflètent la façon dont les animaux utilisent les nutriments qu’ils ingèrent pour fabriquer ou dégrader les protéines et les graisses. Les protéines et les graisses sont essentielles pour la structure et la fonction des cellules, ainsi que pour le stockage de l’énergie. Cette méthode est le résultat d’une collaboration décennale entre plusieurs institutions, dont l’université Griffith et Queensland Health.

Les premières expérimentations datent de 2018, en démontrant qu’ils pouvaient effectivement utiliser la ninhydrine pour isoler les atomes de carbone qu’ils voulaient à partir des acides aminés. L’étape qui a suivi a consisté à combiner la technique de la ninhydrine avec un procédé appelé chromatographie liquide à haute performance. Et, à partir de 2019, cette technique a permis d’identifier des « empreintes » métaboliques spécifiques à divers mammifères.

Les phases du métabolisme

L’étude a déjà été étendue à une grande variété d’animaux, y compris des huîtres, des poissons, des crevettes et des calamars, et a même permis d’identifier des phases spécifiques du métabolisme liées à la synthèse et à la décomposition des lipides et des protéines. Les chercheurs ont constaté que chaque espèce utilise ces étapes de manière unique pour répondre à des besoins biologiques spécifiques, tels que la croissance ou la reproduction.

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Les chercheurs ont identifié quatre phases du métabolisme : la création de graisses, la destruction de graisses, la création de protéines et la destruction de protéines. Ces phases sont combinées de différentes manières par les animaux pour favoriser la croissance et la reproduction. Les crevettes adultes cannibalisent leurs propres protéines pour fabriquer la graisse dont elles ont besoin pour se reproduire, mais les mammifères adultes utilisent la graisse comme réserve pour contrôler leur température corporelle.

Les chercheurs ont également constaté que les humains qu’ils ont étudiés montraient un métabolisme très équilibré et stable, ce qui n’est peut-être pas surprenant étant donné nos régimes alimentaires généralement stables et nutritifs. Curieusement, cela était assez similaire à ce qu’ils ont trouvé chez un échantillon d’huîtres.

Les implications et applications futures

Le véritable potentiel de cette avancée scientifique réside dans ses applications futures. La nouvelle technique mise au point par les chercheurs ouvre des voies passionnantes pour l’étude du métabolisme. Grâce à l’examen minutieux des isotopes des acides aminés, il sera possible de comprendre le métabolisme des eucaryotes comme jamais auparavant, chez les animaux, les plantes et les champignons.

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Ces découvertes pourraient également être appliquées à des études sur des conditions métaboliques anormales, telles que le cancer ou l’obésité. En isolant et en suivant des atomes de carbone spécifiques, on pourrait même envisager d’étudier des maladies métaboliques à l’échelle moléculaire, ce qui serait une première dans le domaine de la recherche médicale.

Cela offre une résolution et une précision sans précédent, permettant aux scientifiques de décrypter les mécanismes les plus complexes de la vie au niveau moléculaire. Alors que les applications médicales restent à explorer, cette avancée représente déjà une révolution dans notre compréhension du monde vivant.