Les parasites du paludisme sont remplis de cristaux de fer en rotation extravagante : les scientifiques savent enfin pourquoi

Chaque cellule du parasite mortel Plasmodium falciparum, l’organisme responsable du paludisme, contient un petit compartiment rempli de cristaux de fer microscopiques. Tant que le parasite est vivant, les cristaux dansent. Ils tournent, secouent et ricochent dans leur petite bulle comme de la monnaie dans une machine à laver overclockée, trop rapide et chaotique pour même être suivi par les techniques scientifiques traditionnelles. Et quand le parasite meurt, ils s’arrêtent.

Les cristaux de fer constituent depuis longtemps une cible importante pour les médicaments antipaludiques, mais leur mouvement a mystifié les scientifiques depuis leur première détection. “Les gens ne parlent pas de ce qu’ils ne comprennent pas, et parce que le mouvement de ces cristaux est si mystérieux et bizarre, il constitue un angle mort pour la parasitologie depuis des décennies”, explique Paul Sigala, Ph.D., professeur agrégé de biochimie à la Spencer Fox Eccles School of Medicine (SFESOM) de l’Université de l’Utah.

Aujourd’hui, l’équipe de recherche de Sigala a enfin trouvé ce qui fait danser les cristaux : la même réaction chimique qui alimente les fusées spatiales. Les résultats pourraient révéler de nouvelles cibles pour les traitements contre le paludisme et fournir de nouvelles perspectives pour la création de robots à l’échelle nanométrique. Les résultats sont publiés dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Carburant biologique pour fusée

Les cristaux, constitués d’un composé à base de fer appelé hème, se déplacent en déclenchant la dégradation du peroxyde d’hydrogène en eau et en oxygène, ont découvert les chercheurs. La réaction libère de l’énergie, donnant aux cristaux le « coup de pied » dont ils ont besoin pour se mettre en mouvement.

Il s’agit d’une forme de propulsion courante dans l’ingénierie aérospatiale, où le peroxyde d’hydrogène lance des satellites en orbite, mais jusqu’alors inconnue en biologie. “Cette décomposition du peroxyde d’hydrogène a été utilisée pour alimenter des fusées à grande échelle”, explique Erica Hastings, Ph.D., postdoctorante en biochimie à la SFESOM. “Mais je ne pense pas que cela ait jamais été observé dans les systèmes biologiques.”

Le peroxyde d’hydrogène se trouve à des niveaux élevés à l’intérieur du compartiment microscopique qui contient des cristaux de fer, et les parasites transforment ce composé en déchet. Il s’est donc imposé aux chercheurs comme un carburant chimique potentiel susceptible d’alimenter le mouvement des cristaux. En effet, les scientifiques ont découvert que le peroxyde d’hydrogène à lui seul suffisait à faire tourner les cristaux purifiés – aucun parasite n’était requis.

À l’inverse, lorsque les chercheurs ont élevé les parasites du paludisme à des niveaux d’oxygène inhabituellement bas, ce qui réduit la quantité de peroxyde produite par les parasites, les cristaux ont ralenti jusqu’à environ la moitié de leur vitesse normale, même si les parasites étaient par ailleurs en bonne santé.

Le mouvement des cristaux peut faciliter la survie des parasites

Les chercheurs soupçonnent que le mouvement frénétique des cristaux pourrait être important pour que les parasites du paludisme restent en vie, et ils ont quelques idées pour expliquer pourquoi. Le peroxyde lui-même est extrêmement toxique pour les cellules. Les cristaux en rotation pourraient permettre à l’organisme du paludisme de « brûler » l’excès de peroxyde toxique avant qu’il ne provoque des réactions chimiques nocives et n’endommage le parasite.

Sigala ajoute que le mouvement de rotation pourrait également aider le parasite à traiter rapidement l’excès d’hème en empêchant les cristaux de s’agglutiner. Des cristaux agglomérés empêcheraient le parasite de stocker de l’hème supplémentaire aussi rapidement, car ils auraient moins de surface disponible pour ajouter du nouvel hème. En gardant les cristaux en mouvement constant, le parasite du paludisme peut garantir sa capacité à séquestrer efficacement l’hème supplémentaire.

Propulser de nouveaux robots et de nouveaux médicaments

Les cristaux en rotation sont le premier exemple connu en biologie de nanoparticules métalliques autopropulsées, affirment les chercheurs. Mais ils soupçonnent que ce phénomène est beaucoup plus répandu.

Les nouveaux résultats pourraient inspirer des conceptions améliorées pour les robots microscopiques, ajoutent les chercheurs.

“Les particules automotrices nano-conçues peuvent être utilisées pour diverses applications industrielles et d’administration de médicaments, et nous pensons que ces résultats permettront d’obtenir des informations potentielles”, a déclaré Sigala.

Les résultats pourraient également conduire à terme à de meilleurs médicaments antipaludiques, affirment les chercheurs. “Nous pensons que la dégradation du peroxyde d’hydrogène contribue probablement de manière importante à la réduction du stress cellulaire”, explique Sigala. “S’il existe des moyens de bloquer la chimie à la surface du cristal, cela pourrait suffire à tuer les parasites.”

Leurs minuscules fusées chimiques sont très différentes de tout aspect connu de la biologie humaine, ce qui signifie qu’elles constituent une puissante cible potentielle pour les médicaments. Les médicaments qui ciblent un tel mécanisme propre au parasite sont beaucoup moins susceptibles d’avoir des effets secondaires dangereux.

“Si nous ciblons un médicament sur une zone très différente des cellules humaines, il n’aura probablement pas d’effets secondaires extrêmes”, explique Hastings. “Si nous pouvons définir en quoi ce parasite est différent de notre corps, cela nous donne accès à de nouvelles orientations pour les médicaments.”