Les « tremblements » cellulaires peuvent aider les cellules à réagir au monde extérieur –
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Les cellules animales tirent leur intégrité structurelle de leur cytosquelette, un maillage de filaments changeant de forme à l’intérieur d’une cellule qui aide la cellule à organiser sa structure et à communiquer avec son environnement. Il y a quelques années, les scientifiques ont remarqué que certaines parties du cytosquelette se réarrangeaient parfois très rapidement, provoquant une perturbation semblable à un tremblement de terre dans une partie de la cellule. Ils ont nommé ces perturbations des cytoséismes, mais personne n’a compris comment ni pourquoi elles se sont produites.
De nouvelles simulations informatiques développées par des chercheurs de l’Université du Maryland révèlent que ces cytoséismes sont causés par l’accumulation lente et la libération soudaine d’énergie mécanique dans la cellule. Les chercheurs pensent que les tremblements de terre peuvent aider la cellule à répondre rapidement aux signaux de l’environnement extérieur, comme les produits chimiques produits par d’autres cellules ou hormones dans la circulation sanguine.
La recherche paraît dans le numéro du 8 octobre 2021 de la revue Actes de l’Académie nationale des sciences. “Les cytoquakes représentent un remodelage soudain d’un composant très important de la cellule, mais la physique derrière eux n’était vraiment pas connue”, a déclaré Garegin Papoian, co-auteur de l’étude qui est le professeur Monroe Martin de chimie et de biochimie avec un nomination conjointe à l’Institute for Physical Science and Technology de l’Université du Maryland. “Nous pensons que ces cytoséismes doivent être biologiquement importants car le cytosquelette est impliqué dans de nombreuses fonctions au sein de la cellule. Comprendre la physique qui les sous-tend peut donner un aperçu du fonctionnement des cellules.”
Le cytosquelette est comme un échafaudage interne dans les cellules animales. Il est constitué d’un réseau de filaments qui croissent, rétrécissent, s’attachent et se détachent constamment les uns des autres. En plus de fournir une structure à une cellule, les filaments servent également de pistes pour que les signaux chimiques circulent d’une partie d’une cellule à une autre.
Papoian et ses collègues ont émis l’hypothèse que la restructuration rapide et soudaine qui se produit dans les cytoséismes était le résultat de la structure physique du cytosquelette étant particulièrement sensible à son environnement. Il l’assimile à la sensibilité d’un tas de sable par rapport à une brique. Les deux peuvent être constitués des mêmes molécules, mais la brique conserve sa structure, même sous pression, sans s’effondrer. Le tas de sable peut conserver sa structure pendant un long moment, mais s’effondre soudainement en une avalanche de sable glissant.
Pour tester l’hypothèse, l’équipe a créé une simulation informatique d’un modèle de cytosquelette à l’aide d’un logiciel de simulation de matière active pionnier qu’ils ont développé appelé MEDYAN pour « la dynamique mécanochimique des réseaux actifs ». Le logiciel applique les lois de la chimie et de la physique pour déterminer comment les molécules du cytosquelette interagissent et se comportent.
L’étude a révélé que les filaments d’un cytosquelette s’organisent un peu comme une structure de tenségrité qui change de forme. Dans le monde macroscopique, une structure de tenségrité est une sorte de jouet ou de sculpture géométrique fait de câbles et de tiges flottantes sous tension et compression qui semblent défier la gravité. L’analyse de ces structures de tenségrité cellulaire a aidé Papoian et ses collègues à comprendre la libération de tension dans le cytosquelette. Ils ont découvert que la tension appliquée à une zone de la structure peut s’accumuler et provoquer une tension jusqu’à ce qu’elle se relâche soudainement dans une autre zone. En d’autres termes, le cytosquelette se comporte plus comme un tas de sable que comme une brique.
La structure physique du cytosquelette permet à la tension de s’établir entre certains des filaments, comme la tension entre les grains de sable dans un tas de sable ou entre deux plaques tectoniques le long d’une ligne de faille. Lorsqu’un certain seuil est atteint, la tension se relâche soudain, le tas de sable s’effondre, un tremblement de terre gronde ou un cytoséisme se produit.
“Nous postulons que le mécanisme du cytoséisme permet à la cellule de réagir rapidement aux signaux externes de son environnement par rapport à un système sans ce mécanisme”, a déclaré Papoian.
Par exemple, si une cellule impliquée dans la réparation des blessures doit se précipiter vers le site d’une blessure, le mécanisme du cytoséisme peut répondre aux signaux chimiques du site de la blessure en faisant secouer la cellule en mouvement. Lorsqu’une cellule migre à travers le corps, le bord d’attaque peut également utiliser ce mécanisme pour projeter ou réduire des protubérances lorsque la cellule sonde son voisinage local.
La prochaine étape de l’équipe sera d’étendre ses méthodes de simulation pour inclure davantage de parties d’une cellule, telles que le noyau. Ils ont récemment simulé la membrane externe d’une cellule et analysé comment le cytosquelette pousse contre cette membrane pour former des protubérances en forme de doigt.
“Ce travail nous montre que nous pouvons utiliser MEDYAN pour modéliser des composants importants d’une cellule”, a déclaré Papoian. “Idéalement, nous aimerions continuer et construire essentiellement le modèle fondamental d’une cellule entière à la résolution d’une seule molécule.”
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université du Maryland. Original écrit par Kimbra Cutlip. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
