Comment les cellules contrôlent l’état physique des tissus embryonnaires –

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  • Au tout début de leur vie, les animaux subissent certaines de leurs transformations physiques les plus spectaculaires. Autrefois simplement des gouttes de cellules en division, ils commencent à se réorganiser dans leurs formes les plus caractéristiques, qu’il s’agisse de poissons, d’oiseaux ou d’humains. Comprendre comment les cellules agissent ensemble pour construire les tissus a été un problème fondamental en physique et en biologie.

    Maintenant, Otger Campàs, professeur à l’UC Santa Barbara, qui détient également la Chaire Mellichamp en biologie des systèmes et bioingénierie, et Sangwoo Kim, stagiaire postdoctoral au laboratoire du professeur Campàs, ont abordé cette question, avec des résultats surprenants.

    “Lorsque plusieurs cellules interagissent physiquement les unes avec les autres, comment le système se comporte-t-il collectivement? Quel est l’état physique de l’ensemble?” dit Campàs.

    En effet, a-t-il expliqué, le tissu cellulaire embryonnaire est un «matériau étrange», chaque cellule consommant de l’énergie chimique et l’utilisant pour appliquer des forces à ses voisins et coordonner leurs actions. Les études in vitro avec des cellules dans des boîtes synthétiques ne fournissent qu’une partie du tableau, a-t-il ajouté; en étudiant les cellules dans leur environnement natif, l’embryon vivant, ils pourraient découvrir comment les cellules contrôlent leur état collectif et les transitions de phase qui émergent de leur symphonie de poussées et d’attractions.

    Dans un article publié dans Physique de la nature, Campàs, Kim et ses collègues rapportent le développement d’un cadre de calcul qui capture les différentes interactions entre les cellules et les relie à la dynamique des tissus embryonnaires. Contrairement aux simulations précédentes, ce cadre prend en compte plusieurs caractéristiques clés pertinentes pour les interactions cellulaires, telles que les espaces entre les cellules, les formes de cellules et les fluctuations de tension où les cellules se rencontrent.

    “Pour bien comprendre le comportement physique des tissus embryonnaires, tous les aspects clés des tissus embryonnaires à l’échelle cellulaire doivent être pris en compte dans le modèle, car les propriétés tissulaires émergentes dérivent d’interactions à l’échelle cellulaire”, a déclaré Kim, l’auteur principal de l’étude. . “Il existe de nombreux modèles pour étudier les tissus embryonnaires, mais il n’y a pas de cadre général qui inclut ces caractéristiques clés, ce qui entrave la compréhension holistique des comportements physiques des tissus embryonnaires.”

    Cellules agitées

    Le tissu embryonnaire, selon les chercheurs, se comporte physiquement un peu comme une mousse aqueuse, un système composé de poches d’air individuelles regroupées dans un liquide. Pensez à la mousse de savon ou à la mousse de bière.

    “Dans le cas de la mousse, sa structure et sa dynamique sont régies par la tension superficielle”, a déclaré Kim. Des forces analogues se trouvent là où les cellules entrent en contact les unes avec les autres dans le tissu embryonnaire, à la fois sur les faces internes des membranes cellulaires et entre les cellules.

    «Les forces efficaces agissant sur les jonctions cellule à cellule sont régies par la tension corticale et l’adhésion cellule à cellule», a déclaré Kim, «de sorte que la force nette au niveau des contacts cellule à cellule peut être modélisée comme une tension superficielle efficace. “

    Cependant, contrairement aux forces plus statiques entre les cellules dans les mousses typiques, les forces entre les cellules du tissu embryonnaire sont dynamiques.

    «Les cellules des tissus ne génèrent pas de forces statiques, mais affichent plutôt une poussée et une traction dynamiques au fil du temps», a expliqué Campàs. “Et nous constatons que ce sont en fait ces fluctuations de tension qui” fondent “effectivement le tissu dans un état fluide.” C’est cette fluidité du tissu qui permet aux cellules de se réorganiser et de façonner les tissus, a-t-il expliqué.

    Les chercheurs ont mis leur modèle à l’épreuve en mesurant comment les forces changent au fil du temps chez le poisson zèbre embryonnaire, un organisme modèle populaire pour ceux qui étudient le développement des vertébrés. S’appuyant sur une technique développée au Campàs Lab utilisant de minuscules gouttelettes magnétiques insérées entre des cellules de poisson zèbre embryonnaire, ils ont pu confirmer, par la déformation de la gouttelette, les forces dynamiques derrière l’état fluide du tissu.

    Leur découverte selon laquelle les fluctuations de tension sont responsables de la fluidité des tissus au cours du développement contraste avec la notion généralement acceptée selon laquelle les changements d’adhésion entre les cellules sont le facteur critique qui contrôlait la fluidité du tissu – si l’adhérence entre les cellules atteignait un certain niveau élevé. seuil, le tissu deviendrait fluide.

    “Mais comme les forces et les tensions cellulaires fluctuent dans les embryons, il se pourrait que ceux-ci aient joué un rôle important dans la fluidisation des tissus”, a déclaré Campàs. “Ainsi, lorsque nous avons exécuté les simulations et effectué les expériences, nous avons réalisé qu’en fait le tremblement était bien plus important pour la fluidisation que l’adhérence.” L’état fluide du tissu est le résultat de la dynamique des forces, plutôt que des changements dans la tension ou l’adhésion cellulaire statique.

    Les résultats de cette étude pourraient avoir des implications dans le domaine de la physique, en particulier dans le domaine de la matière active – des systèmes de nombreuses unités individuelles qui consomment chacune de l’énergie et appliquent des forces mécaniques qui présentent collectivement des comportements collectifs émergents. L’étude pourrait également éclairer les études en biologie, dans les enquêtes sur la façon dont les changements dans les paramètres cellulaires individuels pourraient contrôler l’état global du tissu, comme avec le développement embryonnaire ou avec des tumeurs.

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    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

    Je m'intéresse à tous les sujets comme la politique, la culture, la géopolitique, l'économie ou la technologie. Toute information permettant d'éclairer mon esprit et donc, le vôtre, dans un monde obscur et à la dérive.

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