Au cours du développement, les structures ramifiées sont orchestrées par des cellules souches qui entraînent un processus de croissance et de division canalaires (ou « bifurcation »). Chaque branche suivante cessera alors de croître, ou continuer à brancher à nouveau. Dans une étude publiée dans La nature plus tôt cette année, Le professeur Simons travaillant en collaboration avec le Dr Jacco van Rheenen à l'Institut Hubrecht d'Utrecht a montré que, dans la glande mammaire, ces processus de division et de terminaison se produisent de manière aléatoire, mais avec une probabilité presque égale.

« Bien qu'il y ait un processus de prise de décision collectif en cours impliquant plusieurs types de cellules souches différents, notre découverte que la croissance se produit presque à un coup de pile a suggéré qu'il peut y avoir une règle très simple qui la sous-tend, " dit le professeur Simons.

Le professeur Simons et son collègue le Dr Edouard Hannezo ont observé qu'il y avait très peu de croisement des branches - les conduits semblaient se dilater pour remplir l'espace, mais pas de chevauchement. Cela les a amenés à conjecturer que les conduits se développaient et se divisaient, mais dès qu'une pointe touchait une autre branche, ça s'arrêterait.

"De cette façon, vous générez un réseau parfaitement encombrant, avec précisément l'organisation statistique observée, via la consigne locale la plus simple :vous bifurquez et vous vous arrêtez lorsque vous rencontrez un conduit de maturation, " dit le Dr Hannezo, un boursier postdoctoral Sir Henry Wellcome basé à l'Institut Gurdon. "Cela a d'énormes implications pour la biologie fondamentale. Cela vous dit que des structures épithéliales ramifiées complexes se développent comme un processus auto-organisé, s'appuyer sur une simplicité étonnamment simple, mais générique, régner, sans recourir à un rigide, séquence prédéterminée d'événements génétiquement programmés."

Although these observations were based on the mammary gland epithelium, by using primary data from Dr Rosemary Sampogna at Columbia University, Professor Anna Philpott in Cambridge and Dr Rakesh Heer at Newcastle University, the researchers were able to show that the same rules governed the embryonic development of the mouse kidney, pancreas and human prostate.

"In the mammary gland, you have a hundred or more fate-restricted stem-like cells participating in this bifurcation-growth-bifurcation process, whereas in the pancreas it's just a handful; but the basic dynamics are the same, " says Professor Simons. "The model is aesthetically beautiful, because the rules are so simple and yet they are able to predict the complex branching patterns of these structures."

The researchers say their discovery may offer insights into the development of breast and pancreatic cancer, where the earliest stages of the disease often show an irregular tangled ductal-like organisation.

"A century after the publication of On Growth and Form, it's exciting to see how the concepts of self-organisation and emergence continue to offer fresh perspectives on the development of biological systems, framing new questions about the regulatory mechanisms operating at the cellular and molecular scale, " Professor Simons adds.

While it may be too early to tell whether similar rules apply to other branched tissues and organisms, there are interesting parallels:branching in trees appears to follow a similar pattern, par exemple, with side branches growing and bifurcating until they are shaded or until they are screened by another branch, at which point they stop.

The research was funded by the Wellcome Trust with additional core support from Cancer Research UK and the Medical Research Council.

Dr Sheny Chen from Wellcome's Cellular and Developmental Science team, said:"This is an elegant study that helps us to understand what guides the decisions our cells make during essential developmental processes. It's fascinating to see that such simple rules can govern the generation of such highly complex patterns and that these rules can apply to different branched structures."