(Comment) les cellules se parlent
Les scientifiques de l'ISTA parviennent à modéliser la dynamique cellulaire
Comme nous, les cellules communiquent. Enfin, à leur manière. En utilisant les ondes comme langage commun, les cellules se disent où et quand se déplacer. Elles parlent, elles partagent des informations et elles travaillent ensemble, comme l'a fait l'équipe interdisciplinaire de chercheurs de l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA) et de la National University of Singapore (NUS). Ils ont mené des recherches sur la façon dont les cellules communiquent et sur l'importance de cette communication pour les projets futurs, par exemple pour la cicatrisation des plaies.
Une magnifique explosion de couleurs. Elle montre l'activation d'une voie de signalisation chimique (voie ERK ; en haut à droite) fusionnée avec une simulation de zones cellulaires en 2D (en bas à gauche) dans une monocouche de cellules.
© Hannezo Group | ISTA
Qu'est-ce qui vous vient à l'esprit lorsque vous pensez à la biologie ? Des animaux, des plantes, des modèles informatiques théoriques ? Vous n'associez peut-être pas tout de suite ce dernier point à la biologie, bien qu'il s'agisse d'un élément essentiel de la recherche biologique. Ce sont précisément ces calculs qui permettent de comprendre les phénomènes biologiques complexes, jusque dans leurs moindres détails. Edouard Hannezo, professeur à l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), les applique pour comprendre les principes physiques des systèmes biologiques. Les derniers travaux de son groupe permettent de mieux comprendre comment les cellules se déplacent et communiquent à l'intérieur des tissus vivants.
Au cours de son doctorat à l'ISTA, Daniel Boocock, avec Hannezo et son collaborateur de longue date Tsuyoshi Hirashima de l'université nationale de Singapour, a mis au point un nouveau modèle théorique détaillé, qui est publié dans la revue PRX Life. Ce modèle permet de mieux comprendre la communication cellule-cellule à longue distance et décrit à la fois les forces mécaniques complexes que les cellules appliquent les unes aux autres et leur activité biochimique.
Les cellules communiquent par vagues
"Supposons qu'une boîte de Pétri soit recouverte de cellules - une monocouche. Elles semblent rester là. Mais en réalité, elles bougent, elles tourbillonnent et adoptent spontanément des comportements chaotiques", explique M. Hannezo.
À l'instar d'une foule dense lors d'un concert, si une cellule tire d'un côté, une autre cellule détecte l'action et peut réagir en allant dans la même direction ou en tirant dans la direction opposée. L'information peut alors se propager et voyager sous forme d'ondes, visibles au microscope.
"Les cellules ne perçoivent pas seulement les forces mécaniques, mais aussi leur environnement chimique, c'est-à-dire les forces et les signaux biochimiques que les cellules exercent les unes sur les autres", poursuit M. Hannezo. "Leur communication est une interaction entre l'activité biochimique, le comportement physique et le mouvement ; cependant, l'étendue de chaque mode de communication et le fonctionnement de ces interactions mécano-chimiques dans les tissus vivants sont restés insaisissables jusqu'à présent.
Prédire les modèles de mouvement
Motivés par les images de vagues, les scientifiques avaient pour objectif d'établir un modèle théorique de suivi qui validerait leur théorie précédente sur la manière dont les cellules se déplacent d'une région à l'autre. Daniel Boocock explique : "Dans nos travaux antérieurs, nous voulions découvrir l'origine biophysique des vagues et déterminer si elles jouaient un rôle dans l'organisation de la migration collective des cellules. Cependant, nous n'avions pas pris en compte la transition liquide-solide du tissu, le bruit inhérent au système ou la structure détaillée des ondes en 2D."
Leur dernier modèle informatique tient compte de la motilité des cellules et des propriétés matérielles du tissu. Grâce à ce modèle, Boocock et Hannezo ont découvert comment les cellules communiquent mécaniquement et chimiquement et comment elles se déplacent. Ils ont pu reproduire les phénomènes observés dans des boîtes de Petri, vérifiant ainsi une explication théorique de la communication cellulaire basée sur des lois physiques.
Vérification de la théorie
Pour la preuve expérimentale, Boocock et Hannezo ont collaboré avec le biophysicien Tsuyoshi Hirashima. Pour tester rigoureusement si le nouveau modèle est applicable à des systèmes biologiques réels, les scientifiques ont utilisé des monocouches 2D de cellules MDCK - des cellules rénales de mammifères - qui constituent un modèle in vitro classique pour ce type de recherche. "Si nous inhibons une voie de signalisation chimique qui permet aux cellules de détecter et de générer des forces, les cellules cessent de bouger et aucune onde de communication ne se propage", explique M. Hannezo. "Grâce à notre théorie, nous pouvons facilement modifier différents composants du système complexe et déterminer comment la dynamique du tissu s'adapte.
Quelle est la prochaine étape ?
Le tissu cellulaire ressemble à certains égards aux cristaux liquides : il s'écoule comme un liquide mais est agencé comme un cristal. Boocock ajoute : "En particulier, le comportement des tissus biologiques, semblable à celui des cristaux liquides, n'a été étudié qu'indépendamment des ondes mécanochimiques." Une extension aux tissus en 3D ou aux monocouches de forme complexe, comme dans les organismes vivants, est une piste de recherche possible pour l'avenir.
Les chercheurs ont également commencé à optimiser le modèle en ce qui concerne la cicatrisation des plaies. Là où les paramètres améliorent le flux d'informations, la cicatrisation a été accélérée dans les simulations informatiques. Hannezo ajoute avec enthousiasme : "Ce qui est vraiment intéressant, c'est de voir à quel point notre modèle fonctionnerait pour la cicatrisation des plaies dans les cellules des organismes vivants."
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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