Un modèle évolutif prédit la répartition des molécules au sein des cellules

29.07.2022 - Allemagne

Des chercheurs du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization (MPI-DS) de Göttingen, en Allemagne, et de l'Université de technologie de Delft, aux Pays-Bas, ont mis au point une nouvelle méthode théorique pour étudier les mélanges composés de nombreuses molécules différentes. Ils ont analysé la manière dont les molécules interagissent pour former de manière fiable différentes gouttelettes, comme cela se produit en permanence dans les cellules vivantes. Grâce à ce modèle, il est possible de prédire pour la première fois la formation de gouttelettes particulières à partir de nombreuses molécules en interaction. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue scientifique PNAS.

Le physicien théorique David Zwicker et le biophysicien Liedewij Laan s'intéressent aux mystères de la vie, en particulier au fonctionnement fondamental des cellules vivantes. "Je suis toujours surpris que les processus cellulaires fonctionnent, car une cellule est constituée de milliers de molécules différentes qui doivent toutes travailler ensemble sans interférer les unes avec les autres", explique David Zwicker. Les scientifiques ont mis au point un modèle informatique qui permet d'étudier des fluides complexes, comme le liquide à l'intérieur d'une cellule. "Malgré leur nature chimique et physique complexe, les molécules à l'intérieur des cellules sont souvent organisées sous forme de gouttelettes", ajoute M. Laan. "Avec notre approche, nous sommes capables de reproduire la formation de ces gouttelettes, et avons ainsi ouvert de nouvelles pistes de recherche sur le fonctionnement de ce mécanisme", poursuit-elle.

Une vinaigrette complexe

Les cellules biologiques sont des machines incroyablement complexes qui dépendent de milliers de molécules différentes pour fonctionner et interagir de manière fiable. Pour orchestrer ces molécules, elles sont séparées en différents compartiments à l'intérieur des cellules. Comme l'environnement et l'état interne des cellules changent constamment, ils doivent être formés et maintenus de manière robuste. La plupart des compartiments bien connus, dont le noyau et les mitochondries, sont entourés de membranes qui servent de barrières définissant leur forme et contrôlant leur composition. Cependant, de nombreux compartiments plus petits ne possèdent pas de membrane et se comportent donc souvent de manière plus dynamique. De tels compartiments ont été trouvés dans des cellules animales, végétales et bactériennes. Ils peuvent se former spontanément et les interactions entre les molécules impliquées contrôlent leur composition.
Pour comprendre comment une pléthore de molécules différentes s'organise dans ces compartiments sans membrane, Zwicker et Laan ont étudié théoriquement le processus physique de formation des gouttelettes. Jusqu'à présent, la théorie sous-jacente n'était bien comprise que pour le cas simple de deux types de particules, comme l'huile qui se sépare de l'eau dans une vinaigrette. Pour examiner un environnement cellulaire plus réaliste avec un plus grand nombre d'interactions moléculaires, les chercheurs ont introduit une méthode numérique, qui prédit la composition des gouttelettes.

Les secrets de la vie

La nouvelle approche numérique ouvre la possibilité de répondre à des questions clés, notamment celle de savoir comment de nombreuses gouttelettes différentes se forment de manière robuste. "L'idée maîtresse est que, pendant des milliards d'années d'évolution, les interactions entre les molécules cellulaires ont été optimisées pour former les bonnes gouttelettes", explique M. Zwicker. Pour imiter ce phénomène dans l'ordinateur, les chercheurs ont ajusté les interactions en utilisant plusieurs générations de mutation et de sélection jusqu'à ce qu'un certain nombre de gouttelettes se forment. Il est intéressant de noter que de nombreux ensembles différents d'interactions aboutissent presque parfaitement au nombre prédéfini de gouttelettes différentes. Laan commente : "Nous étions ravis de constater que nous pouvions réellement reproduire ces mélanges. Pourtant, sur le plan scientifique, le fait que nous ne comprenions pas exactement comment cela fonctionne est peut-être encore plus excitant. Mais maintenant, nous sommes beaucoup plus près d'essayer de comprendre ces secrets de la vie."

Zwicker souligne que leurs recherches s'inscrivent dans un changement de paradigme plus important en biologie : "Jusqu'à présent, les chercheurs avaient tendance à étudier des interactions plutôt fortes, par exemple entre deux protéines, car elles sont assez robustes et donc plus faciles à étudier. Aujourd'hui, les gouttelettes qui se forment en raison d'interactions beaucoup plus faibles sont de plus en plus étudiées, tant sur le plan théorique qu'expérimental, car elles semblent remplir un rôle important à l'intérieur des cellules. Cependant, elles sont beaucoup plus difficiles à analyser, car ces interactions faibles peuvent être perturbées par la température, l'acidité, la concentration en sel et de nombreux autres facteurs." Le présent travail suggère qu'un comportement complexe, comme la formation de gouttelettes, peut émerger de manière robuste, même à partir de ces interactions faibles.

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