Antagonistic Enzymes May Generate Alternate Phase Transitions Leading to Ephemeral Gels

In some biological processes, two enzymes with antagonistic activities—the one creating a bond, the other destroying it—are involved in a reaction cycle. Several catalysts have the ability to modify the rheological properties of biological media participating in the production of a solid gel phase which later dissolves. Transglutaminase, catalyzing intermolecular protein cross-linking, is considered here as a reverse protease as far as the physical state of a proteic gel is concerned. A kinetic model including diffusion constraints and based on a protease/transglutaminase cycle interconverting insoluble gel and soluble proteolysis fragments showed that alternate sol/gel and gel/sol transitions could occur within such a system, generating transient gel phases. Then, ephemeral gels were obtained in vitro using an experimental system consisting of gelatin, transglutaminase, and thermolysin. Modulating the enzyme activity ratio allows us to “program” the global behavior: polymerization/solubilization cycle of a mixture containing at least one protein and two enzymes without any change in temperature or medium composition

Remodelage dynamique de gels de protéines (études de transitions de gélification catalysées par des enzymes à activités antagonistes)

De nombreux processus sains ou pathologiques nécessitent le remodelage enzymatique de l'environnement cellulaire. Une succession de transitions de phases catalysées enzymatiquement guide ce type de processus.Nous avons étudié la transition de gélification d'un biopolymère : la gélatine. Cette protéine gélifiant en température, a été mise en présence d'enzymes antagonistes : la transglutaminase qui crée des liens covalents entre les chaînes de gélatine favorisant la gélification, et la thermolysine qui hydrolyse les chaînes de gélatine et déstabilise les réseaux.Les propriétés viscoélastiques et l'architecture du réseau protéique sont observées respectivement en rhéologie et en polarimétrie.Nous avons dans un premier temps caractérisé le gel Physique de gélatine, et confirmé que l'élasticité du gel n'était induite que par le renaturation des chaînes de gélatine en triples hélices.Dans un deuxième temps la gélification a été catalysée par la transglutaminase pour former un gel Chimique. Par différents protocoles de température des gels chimique-physique et Physique-chimique sont réalisés. Le développement des hélices au sein de ce type de réseau est décrit. Les réseaux de liens covalents et de triples hélices peuvent coexister et conférer de nouvelles propriétés de résistance à la dégradation par la thermolysine.Enfin l'action concomitante de la thermolysine et de la transglutaminase, sur la gélification de la gélatine a permis de décrire des gels dynamiques. En effet, comme dans les processus de remodelage, une gélification suivie d'une hydrolyse est observée. Un modèle enzymatique permet d'interpréter simplement le système.Many physiological or pathological processes require an enzymatic remodelling of the cellular environment. A succession of enzymatical catalysed phases transitions guide this kind of events.We studied the gelation transition of a biopolymer: gelatin. This protein gelling in temperature was mixed with antagonistic enzymes: the transglutaminase which support gelation by creating covalent bonds between the gelatin chains, and the thermolysin which destabilizes the networks by hydrolyzes the gelatin chains. The viscoelastic properties and the architecture of the protein network are observed respectively in rheology and polarimetry.We initially characterized the physical gelatin gel, and confirmed that the elasticity of gel was induced only by renaturation of the gelatin chains in triple helix.In the second time gelation was catalysed by the transglutaminase to form a Chemical gel. By various protocols of temperature Chemical-physics and Physics-chemical gel are realized. The development of the helices within this type of network is described. The networks of covalent bonds and triple helix can coexist and confer new properties of resistance to degradation by thermolysin.Finally the concomitant action of the thermolysin and transglutaminase on the gelatine's gelation lead to describe a dynamical gel. Indeed a gelation followed of hydrolyze is observed as in the processes of remodelling. An enzymatic model conduces to a basically system interpretation.CERGY PONTOISE-BU Neuville (951272102) / SudocCERGY PONTOISE-BU Saint-Martin (951272103) / SudocSudocFranceF