Découvrir les mécanismes de construction et de transformation  de la micelle de caséine pour comprendre sa dynamique

Cet agrégat protéique, assimilable à une sphère d'une centaine de nanomètres de diamètre, est étudié depuis une trentaine d'années par des méthodes physico-chimiques. Cependant, sa structure, et donc son organisation moléculaire et supramoléculaire ne sont que très partiellement établies. Cette méconnaissance constitue un verrou conceptuel majeur pour comprendre, et donc maîtriser, ses fonctionnalités. En effet la micelle de caséine joue un rôle déterminant dans de nombreux procédés de transformation des industries alimentaires.

Des avancées dans la connaissance de la structure de la micelle de caséine

Pour comprendre l'organisation et la dynamique micellaire, nous étudions les mécanismes de transport et de construction de la micelle dans la voie de sécrétion, ces deux processus étant intimement imbriqués. L'originalité de notre approche est d'étudier ces phénomènes in situ dans la cellule épithéliale mammaire, en exploitant l'aspect spatio-temporel de l'édification de la micelle. Les étapes primaires de la formation de la micelle de caséine sont étudiées dans des vésicules dérivées du réticulum endoplasmique rugueux, préparées à partir de tissus mammaires de rat ou de chèvre. Ces expériences révèlent, pour la première fois, l'existence d'une forme de caséine alpha-S1 associée à la membrane dans le réticulum endoplasmique et dans les compartiments plus distaux de la voie de sécrétion des cellules épithéliales mammaires. Nos données suggèrent que la caséine alpha-S1, essentielle à l'exportation efficace des autres caséines du réticulum endoplasmique vers l'appareil de Golgi, joue un rôle clé dans les premières étapes de la biogenèse des micelles de caséine et dans le transport des caséines dans la voie de sécrétion [1].

Par une approche utilisant la concentration par stress osmotique, technique issue de la physique de la "matière molle", nous avons tout d'abord montré que la micelle adopte une succession de comportements typiques de certains colloïdes "modèles" lorsque la concentration augmente : sphère dure, sphère "adhésive", puis colloïde "mou et déformable" [2,3]. Ces résultats sont directement applicables, par la connaissance de la position de la transition liquide-gel par exemple. Dans la continuité de ces travaux, nous avons exploré la structure interne de la micelle de caséine en suivant l'évolution, par diffusion de rayons X aux petits angles, de sa structure interne en cours de compression osmotique [4]. Pendant ces manipulations, l'environnement physico-chimique de la micelle est inchangé si bien que seule sa réponse à une sollicitation mécanique (= déformation de la micelle) est suivie. Les résultats obtenus sont particulièrement originaux et informatifs. Ils suggèrent que la micelle est un matériau hétérogène constitué de régions denses, qui résistent à la compression, et de régions "molles" ou de vides, qui se contractent voire s'effondrent quand la micelle est déformée (cf illustration). Cette proposition d'une micelle de caséine structurée en "éponge" contraste avec les modèles existants et constitue une avancée importante du point de vue fondamental.




Illustration : Structure de la micelle de caséine sous compression osmotique : (A) Spectres SAXS de la micelle à différentes concentrations en caséine. Ces spectres montrent trois "oscillations", ou distances caractéristiques, qui correspondent aux trois niveaux de structuration interne de la micelle. (B) Proposition de structure interne : la micelle serait une sorte « d'éponge » à trois niveaux de structure.

Elucider la structure de la micelle de caséine pour maitriser les procédés

Déterminer le rôle de la caséine alpha-S1 dans le transport des caséines dans la voie de sécrétion ainsi que dans l'édification de la micelle de caséine, et à terme connaitre les mécanismes de mise en place et de sécrétion de cette structure supramoléculaire permettra de mieux comprendre et donc maîtriser la production de la micelle de caséine par la cellule épithéliale mammaire et les fonctionnalités qui lui sont rattachées.
Pour maîtriser les procédés, il est primordial d’élucider la structure de la micelle de caséines et de comprendre comment cette structure et le comportement global de la micelle sont affectés au cours des transformations et opérations de concentration. A terme, et du point de vue applicatif, mieux connaitre la structure de la micelle de caséine permettra d'avancer sur des nombreux points ayant trait à la manipulation et à l'utilisation de cet objet biologique dans différents domaines : maitrise des procédés de transformation, encapsulation et libération contrôlée de composés cibles, etc.



Partenaires
Ces recherches ont bénéficié de la collaboration de B. Cabane (ESPCI, UMR7636 PMMH), physicien dont les travaux font référence dans les domaines de la "matière molle". Elles entrent également dans le cadre du GdR CNRS n°2980 "Approches Multiphysiques pour les Colloïdes Concentrés" (AMC2).
Département Physiologie Animale et Systèmes d'Elevage : Eric Chanat, Annabelle Le Parc, INRA, UR1196 Génomique et Physiologie de la Lactation, Domaine de Vilvert, F-78350 Jouy-en-Josas.