Avec les avantages croissants du séquençage de l'ADN, Les biologistes de l'Université de Cincinnati élucident de nombreux mystères évolutifs derrière le monde complexe de la vision des araignées.

En regardant de près le mystérieux modèle génétique de la façon dont ces mirettes se sont développées et fonctionnent, les chercheurs voient de grandes opportunités pour de futures recherches. De nouvelles études pourraient inclure des thérapies géniques chez les humains souffrant de problèmes visuels comme la dégénérescence maculaire ou le cancer de la rétine.

Pour accéder à ces possibilités, des scientifiques comme Nathan Morehouse, professeur assistant de biologie à l'UC, a dû regarder il y a 500 millions d'années à une époque appelée la période cambrienne pour mettre en perspective l'évolution des gènes des yeux d'araignée.

"Ce que nous avons découvert, c'est que nous passons d'arthropodes aquatiques anciens au corps mou sans yeux, ou du moins des yeux qui se fossilisent mal, aux yeux soudain qui ressemblent aux yeux que l'on voit aujourd'hui sur les insectes et les animaux terrestres, avec pratiquement rien entre ces étapes, " dit Morehouse.

Et par "tout à coup, " Morehouse parle d'une petite période évolutive de 50 millions d'années.

"Mais pour les archives fossiles, 50 millions d'années, c'est très court pour passer de l'absence d'yeux aux yeux comme nous l'avons aujourd'hui, " il ajoute.

Alors que les araignées et les insectes primitifs sont arrivés sur terre en tant que deux groupes totalement séparés, ils sont susceptibles d'avoir emporté avec eux certains des mêmes modèles de développement pour la construction de leurs yeux.

« Nous pouvons utiliser de nouvelles preuves génétiques provenant d'insectes comme point de départ pour identifier des gènes importants qui contrôlent le développement des yeux chez les araignées, " dit Morehouse. " Cela incitera les biologistes des araignées et les personnes généralement intéressées par la vision à réfléchir à de nouvelles façons de construire une meilleure vision. Nous ne sommes pas encore tout à fait là en termes de solutions d'ingénierie pour la construction d'yeux organiques, mais j'espère que c'est dans notre avenir."

Morehouse a présenté ses découvertes sur la génétique du développement de la vision des araignées lors de la conférence 2018 de la Society for Integrative and Comparative Biology à San Francisco en janvier.

Cette recherche fait également partie d'un projet plus vaste récemment publié dans la revue The Bulletin biologique , intitulé "Évolution moléculaire de Spider Vision :nouvelles opportunités, Joueurs familiers, " par Morehouse; Elke Buschbeck, professeur de biologie à l'UC ; Daniel Zurek, stagiaire postdoctoral au département de biologie de l'UC et chercheurs de l'Université d'Hawaï à Manoa.

Prévoyance fantaisie

Cette étude collaborative aide à décrire les principes fondamentaux de l'évolution des araignées d'un ancien arthropode avec un œil composé avec de nombreuses facettes - les unités sensibles à la lumière de forme hexagonale qui composent un œil composé - à des yeux multiples avec seulement quelques facettes.

L'une des façons dont ils le font, disent les chercheurs, est de prendre un tas de facettes ou de cellules visuelles et de simplement fusionner une lentille sur le dessus. L'autre consiste à prendre une seule facette et à l'agrandir, puis à ajouter plus de cellules sensibles à la lumière en dessous pendant le développement embryonnaire.

"Nous pensons qu'au cours de la période cambrienne, il y a plus de 500 millions d'années, les arthropodes anciens avaient deux grands yeux composés quelque peu similaires aux mouches des fruits modernes, " dit Buschbeck. " Mais à un moment et à un autre de l'évolution chez les araignées, l'œil composé s'est probablement divisé en une paire d'yeux médians ou centraux à l'avant et une paire d'yeux composés latéraux situés sur les côtés de la tête. Mais selon les preuves que nous avons découvertes, ils ont peut-être conservé l'ancien réseau de gènes pour les construire."

Alors que les insectes et les araignées sont connus pour avoir évolué en même temps au cours de la période cambrienne, Morehouse dit qu'ils se sont retrouvés dans des endroits totalement différents. Ils ont utilisé la même trousse d'outils de base pour construire leurs yeux, mais les détails précis des gènes sont légèrement différents.

"Des années de génétique du développement minutieuse nous ont montré comment les mouches des fruits ont construit leurs yeux composés et leurs yeux médians - ou ocelles - à partir de réseaux de gènes en interaction, " dit Morehouse. " Nous avons donc cherché à savoir si ces gènes jouaient exactement le même rôle chez les araignées ou si les rôles avaient changé. Et chez les araignées, nous trouvons toujours le même plan, du moins en brouillon !"

Plan visuel

Ce phénomène présente également une conséquence critique pour les créatures miniatures à huit yeux, comme le dit Morehouse, ils ne peuvent pas ajouter plus de cellules photoréceptrices à leur rétine une fois que la lentille est posée sur le dessus. Après avoir examiné de plus près les cellules rétiniennes en développement, les chercheurs ont découvert que les araignées construisent leurs yeux sous forme de petits embryons avec toutes les cellules rétiniennes dont elles auront besoin, puis placent la lentille sur le dessus.

Alors, comment résolvent-ils le problème d'avoir un grand nombre de cellules rétiniennes étroitement entassées dans une tête d'un dixième de la taille d'une araignée adulte ?

Il s'avère que les cellules densément emballées ont plus de petits pixels que leur objectif ne peut réellement en résoudre, ce qui entraîne un échantillonnage du même point dans l'espace plusieurs fois au lieu d'une. Mais les minuscules octopodes devront peut-être effectuer des astuces optiques inhabituelles pour traiter leur vision floue. Ce n'est pas la façon "la plus intelligente" de concevoir un œil, disent les chercheurs. Les concepteurs de caméras tentent de faire correspondre la résolution du capteur de la caméra au pouvoir de résolution de l'objectif.

"L'une des idées les plus fascinantes ici est que parce que nous comprenons la base génétique de la façon dont ils construisent ces yeux, nous pouvons comprendre pourquoi ils font des choses comme mettre toutes ces cellules rétiniennes dans ce petit animal, " dit Morehouse. " Ce qui apparaît comme une idée stupide d'un point de vue strictement visuel s'avère faire partie du plan de cet arthropode vieux de 500 millions d'années. "

Il faut une recherche fondamentale comme celle-ci pour comprendre le développement génétique complexe, mais les chercheurs disent que cela ouvre des opportunités vraiment intéressantes pour la biotechnologie future.

Les bébés aux yeux d'insectes

"Nous n'aurions jamais compté le nombre de cellules rétiniennes dans ces minuscules juvéniles si nous ne l'avions pas soupçonné dès le début, " il ajoute.

Malgré le désavantage de taille et la surpopulation des cellules, les chercheurs découvrent que les juvéniles font bon nombre des choses sophistiquées que leurs grands frères peuvent faire, comme déchiffrer entre différents types de proies comme un moustique par rapport à une mouche.

Alors que Morehouse décrit cette recherche comme les premières étapes de la compréhension des avantages et des inconvénients de la construction des yeux de cette manière, il voit de grandes opportunités pour imiter de minuscules systèmes visuels afin de produire des capteurs plus petits que ceux utilisés régulièrement aujourd'hui.

"Si nous devons construire une lentille pour qu'elle soit minuscule, plus petit que n'importe quel capteur actuel et assez petit pour être facilement avalé comme une pilule pour le travail endoscopique, il est possible que ces araignées mènent à des biotechnologies que nous n'avons jamais imaginées, " dit Morehouse.

"Ces araignées ont fait des choses vraiment intelligentes à leurs lentilles, la forme de leurs rétines et la taille de leurs cellules rétiniennes qui les aident à surmonter des défis incroyables."

D'autres découvertes surprenantes ont révélé des modèles uniques de mort cellulaire rétinienne chez les jeunes araignées. Lorsque les cellules rétiniennes meurent, elles sont beaucoup plus susceptibles de mourir au centre de la rétine qu'à la périphérie, ce qui, selon les chercheurs, est exactement ce qui se passe chez les humains avec l'âge et le problème de la dégénérescence maculaire.

"Parce que nous voyons ce genre de changements se produire chez les araignées sauteuses lorsqu'elles sont nourries avec une mauvaise alimentation, nous pourrions découvrir des choses qui nous aident à mieux comprendre la dégénérescence maculaire et d'autres problèmes centrés sur l'humain, " déclare Morehouse et Buschbeck.

Vision d'araignée sur Mars

Bien que ce projet soit encore considéré comme une science fondamentale, Morehouse explique que la science fondamentale n'est limitée que par la créativité de la nature.

Il cite le Mars Rover comme un exemple d'utilisation d'optiques inspirées de la vision de l'araignée sauteuse. Des recherches antérieures ont révélé comment les araignées sauteuses obtiennent une meilleure acuité visuelle à partir d'un petit système visuel en déplaçant le capteur derrière leur objectif. Cela a inspiré la NASA à construire un capteur pour le Rover qui se déplace derrière ses objectifs de caméra, offrant désormais une meilleure imagerie sur Mars.

"Ce que nous avons fait ici, c'est utiliser des informations sur l'histoire ancienne des araignées pour rechercher des gènes qui participent à la vision et nous avons constaté que bon nombre de nos suppositions éclairées sont correctes, " dit Morehouse. " Il existe des similitudes génétiques chez les insectes qui sont également utilisées de manière prévisible chez les araignées. Cela ouvre tout un ensemble de nouveaux travaux pour comprendre comment la vision des araignées, tout en étant unique, pourrait être similaire ou différent de ce que nous savons de la vision des mammifères comme la nôtre.

"En effet, il y a des idées qui viennent du travail sur les mouches des fruits qui ont aidé la santé humaine, il est donc tout à fait possible que la prochaine chose que nous apprenons sur la vision humaine provienne des araignées."