L'année dernière, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont révélé des informations surprenantes sur la façon dont les cellules réagissent à la courbure de la surface. Spécifiquement, ils ont étudié comment les cellules réagissent aux surfaces cylindriques, qui sont communs en biologie. Ils ont découvert que les cellules modifient les configurations statiques de leurs formes et de leurs structures internes.

"Nous pensons que les cellules font le calcul ; les cellules détectent et répondent à la courbure sous-jacente, " déclare Kathleen Stebe de la Penn's School of Engineering and Applied Science.

Maintenant, les chercheurs, dirigé par Stebe et Nathan Bade, récemment diplômé en ingénierie, en collaboration avec Randall Kamien de la School of Arts and Sciences et Richard Assoian de la Perelman School of Medicine, ont publié une étude de suivi que Stebe compare à "calc III" pour les cellules, étudier comment les cellules réagissent à des géométries plus complexes. La recherche, ce qui pourrait permettre de nouveaux outils en biologie et affecter la façon dont les médecins traitent des choses comme les maladies vasculaires, a été publié dans le Journal biophysique .

Les chercheurs ont créé une surface autre que des cylindres qu'ils appellent une "sphère avec jupe". Comme le nom le suggère, la partie supérieure de la surface est sphérique, mais, à mesure que l'on descend de part et d'autre de la surface, il forme une jupe en forme de selle. À cause de ce, la surface a deux courbures de principe non nulles en chaque point; la partie sphérique a ce qu'on appelle une courbure gaussienne positive tandis que la jupe a une courbure gaussienne négative.

"Nous avons donné cette petite montagne vraiment intéressante aux cellules, " Stebe dit, "et dit, Qu'allez-vous faire de cette montagne lisse qui vous donne ces différentes courbures ? Et il s'avère que ces cellules sont vraiment intelligentes. Ils changent non seulement leurs formes et leurs structures internes, mais ils se déplacent de manières radicalement différentes qui ouvrent de nouvelles questions sur la façon dont les cellules se déplacent. »

Les cellules sur les surfaces rigides forment des fibres de stress, comprenant des moteurs d'actine et de myosine. Dans l'étude précédente, les chercheurs ont découvert que, étonnamment, sur une surface cylindrique, les cellules courbent en fait certaines des fibres de contrainte le long de la direction de courbure maximale. Bien qu'une population de fibres de stress situées au-dessus du noyau de la cellule soit alignée le long de l'axe du cylindre, un autre sous le noyau enroulé autour de la circonférence du cylindre. Ils ont également constaté que, en manipulant le cytosquelette des cellules, ils ont pu récapituler le schéma d'alignement du cytosquelette qu'ils ont vu in vivo.

Dans ce dernier ouvrage, les chercheurs ont découvert que, de nouveau, la population de fibres de contrainte au-dessus du noyau est restée aussi droite que possible, puis sous le noyau une deuxième population enroulée dans la direction dans laquelle elles sont le plus courbées. Tout comme dans les recherches précédentes, les deux populations alignées le long des deux directions principales de la surface.

Pour enquêter sur cela, Bade a recouvert la sphère avec jupe de molécules pour la rendre adhérente aux cellules, puis a observé comment les cellules se comportaient lorsqu'elles migraient à la surface. Les chercheurs ont utilisé un puissant microscope confocal qui a fourni des informations tridimensionnelles sur les systèmes.

Les chercheurs ont pu traiter les fibres de stress, un composant du cytosquelette actif au sein des cellules, pour qu'ils deviennent fluorescents. En utilisant un laser pour collecter la lumière à partir de très petites sections d'un échantillon, le microscope confocal a éliminé toute la lumière floue. Cela a produit une image haute résolution à partir d'un plan étroit qui a permis aux chercheurs de voir que, comme dans l'étude précédente, une population a trouvé un moyen de rester aussi droit que possible et l'autre a trouvé un moyen de se plier autant que possible.

"Les fibres de contrainte apicale qui voulaient rester aussi droites que possible ont trouvé un moyen de rester droites en formant des cordes en forme de pont sur l'espace concave, " Bade dit, "Les fibres de stress basal enroulaient autour de la caractéristique et étaient très courbées."

Les chercheurs ont ensuite étudié les orientations des deux populations de fibres de contrainte en fonction de la courbure de surface. Ils ont découvert que les cellules connaissant la partie faiblement incurvée de la surface n'avaient pas d'orientation préférentielle pour leurs fibres de stress apicales, mais ceux confrontés à la courbure plus difficile ont très fortement orienté leurs fibres de stress apicales, pointant vers le centre de l'élément. Cela a ouvert la question de savoir quel type d'impact cela a sur les comportements cellulaires importants.

"Les cellules voient ce genre de limites et de surfaces dans notre corps, " Bade dit. "Les glandes et les vaisseaux ont les types de champs de courbure que nous avons capturés dans la surface de la sphère avec la jupe. Certains types de tumeurs ont également ces courbures complexes. La courbure est partout. Nous ne sommes pas faits d'avions."

Selon Bade, cette recherche montre que ces indices géométriques ont des impacts profonds sur l'organisation du cytosquelette, ce qui est important pour les comportements cellulaires tels que la migration, comment les cellules se déplacent dans notre corps.

"Nous voulions découvrir comment la géométrie de la sphère avec la jupe influencerait la migration cellulaire si elle le faisait, " dit Bade. " Nous avons vu que les cellules migraient vers le haut de la jupe, mais, dès qu'ils ont trouvé la calotte sphérique, ils ont en fait cessé de migrer dans la direction radiale. Les cellules explorent ce cap, mais ils refusent d'y migrer. Il s'agit effectivement d'une région de répulsion de courbure vers la cellule. Les cellules changent en fait leur polarisation; vous pouvez les voir tourner à près de 90 degrés et commencer à migrer autour de l'entité."

Bade et Stebe pensent que la courbure pourrait en fait modifier la relation entre la direction dans laquelle les fibres de contrainte sont orientées et la direction de migration. Cela suggère que les fibres de stress apicales, qui conduisent généralement à la migration, diminution de l'importance, et la population basale prend le relais.

« Dans les avions, les fibres de contrainte apicale sont toujours chargées de conduire, " Stebe dit, "mais tout à coup, les fibres de contrainte basale s'emparent de la roue. Cela laisse beaucoup de questions ouvertes. C'est l'un de ces travaux vraiment passionnants parce que les résultats sont si clairement évidents dans les données, mais les mécanismes ne sont pas du tout triviaux. C'est vraiment excitant que poser une question apparemment naïve puisse vous entraîner dans un espace avec de grandes questions ouvertes et que la clarté des données, l'importance des résultats, la façon dont la cellule obéissait absolument à ces signaux était à couper le souffle pour moi. »

Selon Bade, comprendre la rigidité des tissus et son rôle dans le changement des comportements cellulaires a eu des implications dramatiques sur les soins de santé et la façon dont les chercheurs abordent des maladies comme le cancer. Ce nouveau travail suggère que les champs de courbure visibles à l'œil sont également un indice important. En gardant cela à l'esprit tout en examinant les états pathologiques, Bade dit, pourrait influencer la façon dont les gens comprennent des choses telles que les maladies vasculaires.

Stebe dit que les questions que cette recherche ouvre peuvent ouvrir la voie à de nouveaux outils en biologie.

« En sciences et en génie, une fois que nous savons que nous pouvons organiser quelque chose, nous pouvons trouver un moyen de l'utiliser, " dit-elle. " Alors par exemple ici, il y a des questions intéressantes sur la façon dont le noyau interagit avec les entités environnantes au sein d'une cellule. Et maintenant, nous avons deux bonnes façons de confiner le noyau - sous contrainte de fibres sur des cylindres, qui serrent le noyau, et sous les cordes qui enveloppent le noyau sans le comprimer. Ces résultats sont intéressants pour les collègues chercheurs, qui peut nous aider à aller plus loin dans la biologie pour poser des questions sur les implications de ces effets dans l'expression des gènes et le destin des cellules."