Aujourd'hui, des recherches menées par des informaticiens du Flatiron Institute, ainsi que par des collaborateurs des universités de Princeton et de Northwestern, ont révélé que ces flux, qui ressemblent à des tornades microscopiques, résultent organiquement des interactions de quelques composants cellulaires.

Leurs travaux, publiés dans Nature Physics , a utilisé la théorie, une modélisation informatique avancée et des expériences avec des ovules de mouches des fruits pour découvrir la mécanique des tornades. Les résultats aident les scientifiques à mieux comprendre les questions fondamentales concernant le développement des ovules et le transport cellulaire.

"Nos découvertes représentent un grand pas en avant dans ce domaine", déclare le co-auteur Michael Shelley, directeur du Center for Computational Biology (CCB) du Flatiron Institute. "Nous avons pu appliquer des techniques numériques avancées issues d'autres recherches que nous développons depuis des années, ce qui nous permet d'examiner cette question bien mieux qu'il n'a jamais été possible auparavant."

Dans une cellule humaine typique, il ne faut que 10 à 15 secondes à une molécule protéique typique pour se déplacer d'un côté à l'autre de la cellule par diffusion ; dans une petite cellule bactérienne, ce voyage peut se produire en une seule seconde. Mais dans les ovules de mouches des fruits étudiés ici, la diffusion à elle seule prendrait une journée entière, bien trop longtemps pour que la cellule fonctionne correctement. Au lieu de cela, ces ovocytes ont développé des « flux tourbillonnants » qui tournent autour de l'intérieur de l'ovocyte pour distribuer rapidement les protéines et les nutriments, tout comme une tornade peut ramasser et déplacer des matières beaucoup plus loin et plus rapidement que le vent seul.

"Une fois fécondé, l'ovocyte deviendra le futur animal", explique Sayantan Dutta, co-auteur de l'étude, chercheur à Princeton et au CCB. "Si vous détruisez le flux dans l'ovocyte, l'embryon qui en résulte ne se développera pas."

Les chercheurs ont utilisé un logiciel avancé de biophysique open source appelé SkellySim développé par les chercheurs du Flatiron Institute.

Avec SkellySim, ils ont modélisé les composants cellulaires impliqués dans la création des tornades. Il s'agit notamment des microtubules (filaments flexibles qui tapissent l'intérieur d'une cellule) et des moteurs moléculaires, qui sont des protéines spécialisées qui servent de bêtes de somme cellulaires, transportant des groupes spéciaux de molécules appelés charges utiles. Les scientifiques ne savent pas exactement de quoi sont constituées ces charges utiles, mais elles jouent un rôle clé dans la génération des flux.

Les chercheurs ont simulé le mouvement de milliers de microtubules répondant aux forces exercées par des moteurs moléculaires porteurs de charges utiles. En faisant des allers-retours entre les expériences et leurs simulations, les chercheurs ont pu comprendre la structure des flux twisters et comment ils résultent de l'interaction entre le fluide cellulaire et les microtubules.

"Notre travail théorique nous permet de zoomer et de réellement mesurer et visualiser ces tornades en 3D", explique Reza Farhadifar, co-auteur de l'étude et chercheur au CCB. "Nous avons vu comment ces microtubules peuvent générer des flux à grande échelle simplement par auto-organisation, sans aucun signal externe."

Les modèles ont révélé qu’à l’intérieur de l’ovocyte, les microtubules se déforment sous la force des moteurs moléculaires. Lorsqu'un microtubule se déforme ou se plie sous cette charge, le fluide environnant se déplace, ce qui peut réorienter d'autres microtubules.

Dans un groupe suffisamment grand de microtubules courbés, tous les microtubules se courbent dans la même direction et les écoulements de fluide deviennent « coopératifs ». Avec les microtubules pliés collectivement, les charges utiles en mouvement créent un flux semblable à un tourbillon ou à une tornade à travers l’œuf entier, aidant ainsi les molécules à se disperser autour de la cellule. Grâce aux twisters, les molécules peuvent traverser la cellule en 20 minutes au lieu de 20 heures.

"Le modèle a montré que le système possède une incroyable capacité à s'organiser pour créer ce flux fonctionnel", explique Shelley. "Et vous n'avez besoin que de quelques ingrédients :uniquement des microtubules, la géométrie de la cellule et des moteurs moléculaires transportant des charges utiles."

Les nouvelles découvertes jettent les bases d’une meilleure compréhension du développement des ovules. Les résultats pourraient également aider à démystifier le transport de matière dans d'autres types de cellules.

"Maintenant que nous savons comment se forment ces twisters, nous pouvons poser des questions plus profondes, comme comment mélangent-ils les molécules à l'intérieur de la cellule ?" dit Farhadifar. "Cela ouvre un nouveau dialogue entre théorie et expérience."

Le nouveau travail offre un nouveau regard sur les microtubules, dit Dutta. Les microtubules jouent un rôle central dans divers types de cellules et fonctions cellulaires, telles que la division cellulaire, chez presque tous les organismes eucaryotes, tels que les plantes et les animaux. Cela en fait "un élément très important de la boîte à outils d'une cellule", explique Dutta.

"En comprenant mieux leurs mécanismes, je pense que notre modèle contribuera au développement de nombreux autres problèmes vraiment intéressants en biophysique cellulaire."