En tant qu'êtres humains, nous savons qu'un mode de vie actif nous donne un certain contrôle sur notre forme. Lorsque nous frappons le trottoir, suivons nos pas et nous dirigeons vers la salle de sport, nous pouvons maintenir le développement musculaire et réduire la graisse corporelle. Notre activité physique contribue à façonner notre silhouette physique. Mais que se passerait-il si nous faisions de l'aérobic similaire dans nos formes antérieures ? Est-il possible que nos embryons aient aussi fait de l'exercice ?

Les chercheurs du groupe Ikmi de l'EMBL ont tourné ces questions vers l'anémone de mer pour comprendre comment le comportement affecte la forme du corps au cours du développement précoce. Il s'avère que les anémones de mer bénéficient également du maintien d'un mode de vie actif, en particulier lorsqu'elles passent de larves nageuses de forme ovoïde à des polypes tubulaires sédentaires. Cette transformation morphologique est une transition fondamentale dans l'histoire de la vie de nombreuses espèces de cnidaires, y compris les méduses immortelles et les bâtisseurs de l'écosystème le plus riche et le plus complexe de notre planète, les récifs coralliens.

Au cours du développement, les larves d'anémones de mer étoilées (Nematostella) exécutent un schéma spécifique de mouvements de gymnastique. Une activité musculaire trop ou trop faible ou un changement drastique dans l'organisation de leurs muscles peut faire dévier l'anémone de mer de sa forme normale.

Dans un nouvel article publié dans Current Biology , le groupe Ikmi explore l'impact de ce type de comportement sur le développement animal. Avec une expertise en imagerie en direct, en méthodologie informatique, en biophysique et en génétique, l'équipe multidisciplinaire de scientifiques a transformé l'imagerie en direct 2D et 3D en caractéristiques quantitatives pour suivre les changements dans le corps. Ils ont découvert que les anémones de mer en développement se comportent comme des pompes hydrauliques, régulant la pression corporelle par l'activité musculaire et utilisant l'hydraulique pour sculpter le tissu larvaire.

"Les humains utilisent un squelette composé de muscles et d'os pour faire de l'exercice. En revanche, les anémones de mer utilisent un hydrosquelette composé de muscles et d'une cavité remplie d'eau", a déclaré Aissam Ikmi, chef du groupe EMBL. Les mêmes muscles hydrauliques qui aident les anémones de mer en développement à se déplacer semblent également avoir un impact sur leur développement. En utilisant un pipeline d'analyse d'images pour mesurer la longueur, le diamètre, le volume estimé et la motilité de la colonne corporelle dans de grands ensembles de données, les scientifiques ont découvert que les larves de Nematostella se divisent naturellement en deux groupes :les larves à développement lent et rapide. À la surprise de l'équipe, plus les larves sont actives, plus elles mettent de temps à se développer. "Notre travail montre comment les anémones de mer en développement "s'exercent" essentiellement pour construire leur morphologie, mais il semble qu'elles ne peuvent pas utiliser leur hydrosquelette pour se déplacer et se développer simultanément", a déclaré Ikmi.

Making microscopes and building balloons

"There were many challenges to doing this research," explains first author and former EMBL predoc Anniek Stokkermans, now a postdoc at the Hubrecht Institute in the Netherlands. "This animal is very active. Most microscopes cannot record fast enough to keep up with the animal's movements, resulting in blurry images, especially when you want to look at it in 3D. Additionally, the animal is quite dense, so most microscopes cannot even see halfway through the animal."

To look both deeper and faster, Ling Wang, an application engineer in the Prevedel group at EMBL, built a microscope to capture living, developing sea anemone larvae in 3D during its natural behavior.

"For this project, Ling has specifically adapted one of our core technologies, Optical Coherence Microscopy or OCM. The key advantage of OCM is that it allows the animals to move freely under the microscope while still providing a clear, detailed look inside, and in 3D," said Robert Prevedel, EMBL group leader. "It has been an exciting project that shows the many different interfaces between EMBL groups and disciplines."

With this specialized tool, the researchers were able to quantify volumetric changes in tissue and body cavity. "To increase their size, sea anemones inflate like a balloon by taking up water from the environment," Stokkermans explained. "Then, by contracting different types of muscles, they can regulate their short-term shape, much like squeezing an inflated balloon on one side, and watching it expand on the other side. We think this pressure-driven local expansion helps stretch tissue, so the animal slowly becomes more elongated. In this way, contractions can have both short-term and a long-term effects."

Balloons and sea anemones

To better understand the hydraulics and their function, researchers collaborated with experts across disciplines. Prachiti Moghe, an EMBL predoc in the Hiiragi group, measured pressure changes driving body deformations. Additionally, mathematician L. Mahadevan and engineer Aditi Chakrabarti from Harvard University introduced a mathematical model to quantify the role of hydraulic pressures in driving system-level changes in shape. They also engineered reinforced balloons with bands and tapes that mimic the range of shapes and sizes seen in both normal and muscle-defective animals.

"Given the ubiquity of hydrostatic skeletons in the animal kingdom, especially in marine invertebrates, our study suggests that active muscular hydraulics play a broad role in the design principle of soft-bodied animals," Ikmi said. "In many engineered systems, hydraulics is defined by the ability to harness pressure and flow into mechanical work, with long-range effects in space-time. As animal multicellularity evolved in an aquatic environment, we propose that early animals likely exploited the same physics, with hydraulics driving both developmental and behavioral decisions."

As the Ikmi group previously studied the connections between diet and tentacle development, this research adds a new layer to understanding how body forms develop.

"We still have many questions from these new findings. Why are there different activity levels? How do cells exactly sense and translate pressure into a developmental outcome?" Stokkermans asked as she considers where this research leads. "Furthermore, since tube-like structures form the basis of many of our organs, studying the mechanisms that apply to Nematostella will also help gain further understanding in how hydraulics play a role in organ development and function." + Explorer plus loin

Eat more to grow more arms… if you're a sea anemone