Les parasites du paludisme forment des tourbillons
Nouvelles perspectives pour les interventions médicales
La maladie du paludisme est déclenchée par des parasites unicellulaires qui s'accumulent en grands groupes dans les glandes salivaires des moustiques avant d'être transmis aux êtres humains. L'espace limité qui s'y trouve les empêche de se déplacer réellement, à moins que cette restriction ne soit levée au moyen d'une préparation expérimentale appropriée. Dans le cadre de telles expériences, des chercheurs de l'université de Heidelberg ont mis les agents pathogènes en mouvement et analysé les données d'image acquises à l'aide de méthodes de traitement d'image de pointe. Les données montrent que les agents pathogènes en mouvement collectif forment des systèmes tourbillonnaires qui sont largement déterminés par des principes physiques. Des simulations informatiques spéciales ont permis d'identifier les mécanismes qui sous-tendent ces mouvements de rotation.
La figure combine l'image de microscopie confocale des tourbillons de sporozoïtes avec l'instantané d'une simulation informatique à base d'agents de ces tourbillons.
Frischknecht group and Schwarz group (Paper in Nature Physics)
Le mouvement collectif d'organismes biologiques est un phénomène courant dans le monde naturel. Les insectes et les poissons, par exemple, ont tendance à se déplacer en essaims. Souvent, le mouvement collectif se produit également au niveau cellulaire, par exemple lorsque des cellules cancéreuses migrent à partir d'une tumeur ou que des bactéries forment un biofilm. La collaboration de nombreux individus peut donner lieu à ce que l'on appelle un comportement émergent - de nouvelles caractéristiques qui n'existeraient pas autrement sous cette forme. "En physique, la collectivité crée des processus aussi importants que les transitions de phase, la supraconductivité et les propriétés magnétiques", explique le professeur Ulrich Schwarz, chef du groupe de travail "Physique des biosystèmes complexes" à l'Institut de physique théorique de l'université de Heidelberg. Dans le cadre d'une étude interdisciplinaire menée en collaboration avec le professeur Friedrich Frischknecht (recherche sur le paludisme) et le professeur Karl Rohr (analyse d'images biomédicales), il a montré que le mouvement collectif peut également se produire chez le Plasmodium, l'agent responsable du paludisme.
Cet organisme unicellulaire est injecté dans la peau par la piqûre d'un moustique et se développe d'abord dans le foie, puis dans le sang. Comme le Plasmodium se comporte comme une cellule unique dans la plupart de ses étapes, ses propriétés collectives ont été peu étudiées jusqu'à présent. Dans la glande salivaire du moustique, le parasite a une forme longue et incurvée, semblable à un croissant de lune, et est connu sous le nom de sporozoïte. "Dès que les sporozoïtes sont injectés dans la peau par le moustique, les parasites individuels commencent à se déplacer rapidement vers les vaisseaux sanguins. C'est la phase critique de l'infection, car elle ne peut réussir que si l'agent pathogène atteint la circulation sanguine", souligne le professeur Frischknecht.
Dans le cadre de leurs études au Centre des maladies infectieuses de l'hôpital universitaire de Heidelberg, Friedrich Frischknecht et son équipe ont découvert que les parasites présents dans les glandes salivaires infectées peuvent être mobilisés de manière collective. Pour ce faire, les glandes salivaires sont disséquées du moustique et soigneusement pressées entre deux petites plaques de verre. Les chercheurs ont été surpris de découvrir que les cellules en forme de croissant de lune forment des tourbillons rotatifs dans la nouvelle préparation. Ces tourbillons rappellent les mouvements collectifs des bactéries ou des poissons, bien qu'ils diffèrent en ce qu'ils tournent toujours dans le même sens. Les tourbillons du parasite ont donc un caractère chiral et, de manière tout aussi inattendue, leur taille fluctue. Selon le professeur Frischknecht, ces oscillations indiquent des caractéristiques émergentes, car elles ne sont possibles que dans le collectif des cellules en mouvement et se renforcent dans les tourbillons plus grands.
Pour comprendre plus précisément ces phénomènes, les données expérimentales ont fait l'objet d'une analyse quantitative. Les groupes d'Ulrich Schwarz et de Karl Rohr, chef du groupe de vision informatique biomédicale du centre BioQuant de l'université de Heidelberg, ont utilisé à cette fin des méthodes de pointe en matière de traitement des images. Ils ont pu suivre des parasites individuels dans les tourbillons en rotation et mesurer leur vitesse et leur courbure. Grâce à des simulations informatiques basées sur des agents, il a été possible d'identifier précisément les lois qui peuvent expliquer tous les aspects des observations expérimentales. L'interaction entre le mouvement actif, la forme incurvée de la cellule et la chiralité, associée à la flexibilité mécanique, suffit à expliquer les phénomènes de tri et d'oscillation dans les tourbillons de parasites. Les oscillations observées par les scientifiques sont dues au fait que le mouvement de chaque agent pathogène est converti en énergie élastique qui est stockée dans le tourbillon. "Notre nouveau système modèle offre la possibilité de mieux comprendre la physique des collectifs aux propriétés élastiques et peut-être de les rendre utilisables pour des applications techniques à l'avenir", déclare le physicien Ulrich Schwarz.
Au cours de la prochaine étape, les chercheurs chercheront à savoir exactement comment se produit la chiralité du mouvement. La structure des sporozoïtes suggère différentes possibilités qui peuvent être étudiées dans des expériences de mutations génétiques. Les premières simulations informatiques ont déjà montré que les parasites qui tournent à droite et à gauche se séparent rapidement et génèrent des systèmes tourbillonnaires distincts. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents pourrait ouvrir de nouvelles voies pour perturber le mouvement des sporozoïtes au début de chaque infection palustre. "Quoi qu'il en soit, notre étude a montré que la mécanique des agents pathogènes joue un rôle extrêmement important et jusqu'ici négligé - un constat qui ouvre également de nouvelles perspectives pour les interventions médicales", explique l'infectiologue Friedrich Frischknecht.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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