Les causes de la maladie de Parkinson ne sont pas encore totalement élucidées. Bien avant que les tremblements musculaires typiques ne se manifestent chez les personnes atteintes, l'apparition de protéines défectueuses dans le cerveau pourrait être un premier signe. Des chercheurs de l'Empa et de l'Université irlandaise de Limerick ont examiné de plus près la forme anormale de ces alpha-synucléines sous forme d'anneaux de protéines. Ils ont réussi à mettre en évidence, à l'échelle nanométrique, le lien entre la protéine et la pollution environnementale par le cuivre. Cela jette une nouvelle lumière sur l'origine de la maladie neurodégénérative et le rôle des biométaux dans le processus de la maladie. En outre, ces découvertes pourraient offrir des possibilités d'améliorer le dépistage précoce et le traitement.

Le métabolisme des protéines en ligne de mire : la chercheuse de l'Empa Olena Synhaivska. Image : Empa

On sait jusqu'à présent que la maladie de Parkinson se caractérise par la mort de certaines cellules nerveuses dans le cerveau, ce qui entraîne une carence en dopamine, un neurotransmetteur. Au stade principal de la maladie, on observe donc des tremblements et une rigidité musculaires pouvant aller jusqu'à l'immobilité. Cette maladie à évolution lente est la deuxième maladie neurodégénérative la plus fréquente au monde après la maladie d'Alzheimer. Des facteurs environnementaux tels que les pesticides ou les métaux pourraient favoriser l'apparition de la maladie de Parkinson.

L'équipe de Peter Nirmalraj, chercheur à l'Empa au laboratoire "Transport at Nanoscale Interfaces", étudie cette piste à l'aide de procédés d'imagerie, de spectroscopie chimique et de simulations informatiques. Les chercheurs ont ainsi ciblé une protéine qui participe à plusieurs processus moléculaires dans le développement de la maladie de Parkinson : l'alpha-synucléine. Chez les personnes atteintes, cette protéine endogène s'agglutine et provoque la mort des cellules nerveuses. Les chercheurs supposent que le cuivre en forte concentration intervient dans ces processus et accélère l'évolution de la maladie.

Les prises de vue au microscope à force atomique montrent l'alpha-synucléine sous forme de fibrilles (à gauche). Les fibrilles ont une longueur de quelques 100 nanomètres à un micromètre. Lorsque la protéine est placée dans une solution contenant du cuivre, des structures annulaires se forment à la place (à droite). Ces oligomères mesurent environ 6 à 8 nanomètres. Image : Empa

Pour rendre visible l'agglutination de l'alpha-synucléine à l'échelle nanométrique, la chercheuse Silvia Campioni du laboratoire "Cellulose & Wood Materials" de l'Empa a fabriqué artificiellement la protéine. Grâce à la microscopie à force atomique, les chercheurs ont pu observer pendant dix jours comment la protéine, d'abord dissoute dans un liquide, formait des structures filamenteuses insolubles individuelles avant de s'agglomérer en un réseau dense de fibrilles. Les images permettent de reproduire en laboratoire, avec une précision impressionnante, la transformation de la protéine soluble en fibres agglutinées d'environ 1 micromètre de long, telles qu'elles apparaissent dans le processus de la maladie.

Si l'on ajoute des ions de cuivre à la solution protéique, des structures totalement différentes apparaissent au microscope : des formations protéiques annulaires d'environ 7 nanomètres, appelées oligomères, apparaissent en quelques heures dans l'éprouvette. L'existence de tels oligomères en forme d'anneau et leurs effets nocifs sur les cellules sont déjà connus. De plus, les structures fibreuses plus longues sont apparues plus tôt que dans une solution sans cuivre.

"D'une part, de fortes doses de cuivre semblent accélérer le processus d'agrégation", explique Peter Nirmalraj. D'autre part, sous l'effet du cuivre, la forme annulaire inhabituelle des protéines se forme relativement rapidement, ce qui pourrait marquer le début du processus pathologique ou même le déclencher. La liaison des ions de cuivre à l'alpha-synucléine a été analysée par une équipe de chercheurs de l'Université de Limerick menée par Damien Thomson à l'aide de simulations informatiques de dynamique moléculaire à des intervalles minuscules de 10 à 100 nanosecondes.

Le chercheur de l'Empa Peter Nirmalraj au microscope à force atomique. Image : Empa

Comme les anneaux oligomères se forment au tout début de la transformation des protéines, les anneaux pourraient être utilisés comme cible pour de nouvelles approches thérapeutiques, espère Peter Nirmalraj. En outre, ces découvertes pourraient contribuer à faire avancer le développement d'un test de la maladie de Parkinson qui permettrait de détecter la maladie à un stade précoce dans les fluides corporels, par exemple au moyen d'échantillons de liquide céphalo-rachidien.