En utilisant des microscopes à force atomique hautement sensibles, les chercheurs ont détecté une réaction chimique qui augmente l’élasticité des protéines musculaires. De manière cruciale, cette réaction cible les molécules qui ont été exposées à une force d’étirement. Cette découverte modifie notre compréhension de la façon dont les muscles réagissent aux étirements et peut conduire à de nouveaux traitements des troubles musculaires.
« Nous avons découvert un moyen efficace d’ajuster l’élasticité musculaire », explique Pallav Kosuri, l’un des auteurs principaux. « Nous avons d’abord observé l’effet au niveau moléculaire, puis l’avons testé jusqu’aux tissus humains. »
Julio Fernandez a passé près de deux décennies à étudier l’origine moléculaire de l’élasticité musculaire, pionnier des techniques à molécule unique qui sont aujourd’hui largement utilisées pour étudier la mécanique des molécules. Une molécule en particulier a retenu son attention: une protéine appelée titine. La plus grande protéine du corps, la titine est également la principale source d’élasticité musculaire passive. Chaque molécule de titine est constituée d’une longue chaîne de faisceaux pliés ressemblant à une corde avec des centaines de nœuds. La titine a traditionnellement été considérée comme un échafaudage structurel passif pour le muscle; cependant, les recherches effectuées dans le laboratoire Fernandez révèlent qu’il y a plus de titine que ce que l’on voit à l’œil. « Titin est un ordinateur mécanique qui fournit la bonne sortie élastique à chaque muscle de notre corps, y compris le cœur », explique Fernandez. « S’assurer que cet ordinateur fonctionne à des performances optimales est l’un des défis les plus redoutables que le corps humain doit relever. »
Dans la nouvelle étude, les auteurs principaux Jorge Alegre-Cebollada et Kosuri ont étudié comment l’élasticité de la titine est affectée par l’oxydation. Les niveaux d’oxydation augmentent pendant l’activité musculaire, conséquence naturelle d’un métabolisme élevé. Les chercheurs ont découvert que la titine contient un nombre inhabituellement élevé de points chauds d’oxydation – des emplacements sujets à l’oxydation – mais que la plupart de ces points sont cachés à l’intérieur des plis moléculaires et sont donc inactifs. Cependant, l’étirement d’un muscle peut forcer la titine à se déployer. Les auteurs ont constaté qu’un tel déploiement exposait les points chauds, ce qui rendait la titine de plus en plus sensible à l’oxydation lorsqu’elle était étirée. Intriguée par cette observation, l’équipe a entrepris d’enquêter sur ce qui arrive au titin une fois qu’il s’oxyde. Ils se sont concentrés sur l’une des formes d’oxydation les plus courantes, appelée glutathionylation.
Les chercheurs ont observé que, comme ils s’y attendaient, la force mécanique a démêlé les faisceaux pliés dans la titine et a permis la glutathionylation. La surprise est venue quand ils ont constaté que ce type d’oxydation verrouille les faisceaux dans un état déplié, provoquant une chute spectaculaire de la rigidité de la titine. En l’absence d’oxydation, la force mécanique ne peut générer que des changements transitoires d’élasticité, d’une durée maximale de quelques secondes. Cependant, l’effet d’une force mécanique en combinaison avec la glutathionylation était beaucoup plus persistant – la rigidité des molécules de titine ne pouvait être réinitialisée qu’en inversant l’oxydation.
L’assemblage de ces pièces peut expliquer pourquoi la combinaison de l’exercice et des étirements conduit à une augmentation durable mais réversible de la flexibilité. L’exercice facilite les réactions d’oxydation, mais c’est l’étirement qui prépare le muscle à l’oxydation. Une fois que les réactions d’oxydation se produisent, elles verrouillent les protéines musculaires dans un état déplié et provoquent une augmentation soutenue de leur élasticité. Le muscle revient à la normale lorsque les cellules musculaires éliminent naturellement l’oxydation, un processus qui peut prendre plusieurs heures. « En tant qu’amateur de yoga, je crois que nous commençons à comprendre l’augmentation de la flexibilité induite par le yoga », déclare Alegre-Cebollada. « Une pose comme un chien orienté vers le bas est un moyen très efficace de déplier les nœuds dans la titine, permettant des modifications qui permettent à la protéine de se souvenir qu’elle doit rester dépliée et douce. »Fernandez et son équipe spéculent que ce type de mémoire mécanique pourrait être une caractéristique commune de la plupart des tissus élastiques.
Cliniquement, la découverte indique le potentiel de l’utilisation de moyens biochimiques pour modifier l’élasticité musculaire. Un tel réglage pharmacologique de la mécanique musculaire pourrait conduire à de nouveaux traitements pour les maladies cardiaques et d’autres affections affectant l’élasticité musculaire, y compris la cardiomyopathie dilatée, l’une des causes les plus fréquentes d’insuffisance cardiaque chez les jeunes. « C’est une première découverte, mais les implications sont très excitantes », explique Kosuri. « Et cela montre que nous avons encore beaucoup à apprendre sur le fonctionnement réel de nos muscles. »