L'eau influence le caractère visqueux de l'acide hyaluronique

Bien que l’eau ait longtemps été perçue comme un élément essentiel des systèmes biologiques, ce n’est que récemment que des recherches ont commencé à montrer le rôle complexe qu’elle joue dans la formation de la structure des protéines, des membranes, de l’ADN ou encore des sucres. Ceci est également le cas pour l’acide hyaluronique (HA), un polysaccharide qui se trouve autour des cellules et dans les parties du corps humain où la lubrification et la viscosité sont importantes, notamment autour des articulations. Ce polysaccharide joue un rôle important dans la texture des fluides présents à ces endroits. Les chercheurs du Laboratoire de biophotonique quantique ont découvert, grâce à une nouvelle méthode qu’ils ont mis au point, qu’il a le pouvoir de mettre au garde-à-vous bien davantage de molécules d’eau qu’on ne le pensait jusque-là. Un article, qui ouvre de nouvelles perspectives sur la manière d’envisager le rôle de l’eau dans les systèmes biologiques, est paru dans Science Advances.

Une nouvelle manière de percevoir l’écoulement des fluides

Pour mieux comprendre comment interagissent l’eau et l’acide hyaluronique, les chercheurs ont sondé ce système à l’échelle nanoscopique. Les molécules d’HA contiennent de nombreux anions, c’est-à-dire des ions chargés négativement. De leur côté, les molécules d’eau (H₂O) sont neutres au total mais positivement chargées d’un côté et négativement chargées de l’autre. Cette distribution de charges est responsable de l’orientation des molécules d’eau quand elles « voient » la charge négative de l’acide hyaluronique. Jusqu’à maintenant, il était généralement admis que les charges pouvaient avoir une influence sur une distance équivalente à trois molécules d’eau. La méthode mise au point par les chercheurs de l’EPFL a permis d’en dénombrer 1600. Ils ont également découvert un deuxième mécanisme qui oriente l’eau, à savoir que le champ électrostatique des anions change légèrement la façon dont les molécules d’eau connectent l’une à l’autre. Ce mécanisme est également à l’œuvre dans les solutions d’acide hyaluronique. Cette découverte va jusqu’à remettre en question la manière dont les scientifiques envisagent l’eau et la façon dont elle interagit avec des molécules complexes. L’HA est connu pour sa capacité à augmenter la viscosité, et ceci a toujours jusque-là été attribué aux interactions existantes entre les molécules de HA. Cette recherche le place davantage comme chef d’orchestre du comportement des molécules d’eau, qui elles jouent également un rôle très important.

Tester l’orientation des molécules d’eau

L’HA oriente les molécules d’eau d’une manière qui influence le lien qui les unit entre elles. Il se comporte « comme une chaine flexible entourée par une coque étendue d’eau qui varie en fonction de ses mouvements », note Sylvie Roke, cheffe du Laboratoire. Grâce à une nouvelle méthode qu’ils ont mis au point, les chercheurs ont pu tester les corrélations spatiales sur des échelles de longueurs nanoscopiques.

Les méthodes habituelles, comme la diffraction de la lumière, mesurent les variations de l’HA et non de l’eau. De plus elles ne sont pas assez sensibles pour tester de très faibles concentrations. Les chercheurs ont donc développé une méthode expérimentale, 1000 fois plus sensible, appelée « diffusion élastique de la seconde harmonique », qui permet de mesurer les corrélations structurelles qui résultent des changement dans la structure de l’eau. L’illumination d’une solution avec un pulse laser femtoseconde dans l’infrarouge proche génère des photons qui ont le double de l’énergie des photons incidents. Ces photons, appelés de deuxième harmonique, peuvent uniquement être générés dans des régions du liquide qui présentent une « cassure » de la symétrie par rapport à la symétrie du liquide pur. Par conséquent, ces photons sont un indicateur très sensible aux différences structurelles. Au contraire, dans les méthodes de diffraction de la lumière standard, des photons de même couleur sont émis par chaque molécule – de cette façon, les différences structurelles ne seraient visibles que en faisant une différence de mesures. L’approche basée sur les photons de deuxième harmonique s’avère être 1000 fois plus sensible, et dans ce cas, également sensible à l’eau.

Mettre en lumière la complexité des systèmes aqueux

« L’observation des modifications des superstructures de l’eau en réponse aux molécules comme l’HA ouvre un nouveau champ de recherche », souligne Sylvie Roke. « D’autres approches optiques non linéaires pourraient être utilisées en combinaison avec celle que nous avons développée afin de mieux faire face à la complexité des systèmes aqueux que nous commençons tout juste à démontrer ».