La formation de modèles moléculaires auto-organisés dans les cellules est un élément essentiel de nombreux processus biologiques. Des chercheurs de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) à Munich ont proposé une nouvelle théorie pour expliquer comment de tels modèles émergent dans des systèmes naturels complexes.

De nombreux processus biologiques dépendent de manière cruciale de la formation de distributions ordonnées de molécules spécifiques au sein des cellules. Ces modèles sont des structures auto-organisées qui évoluent de manière prévisible dans le temps et dans l'espace. L'exemple le plus connu de structuration des protéines intracellulaires est peut-être la machinerie moléculaire qui orchestre la ségrégation régulière d'ensembles de chromosomes complets vers les deux cellules filles pendant la division cellulaire.

La théorie classique de la formation de motifs est basée sur des systèmes chimiques proches de l'équilibre. Mais de tels états sont rarement rencontrés en physique, des systèmes chimiques ou biologiques dans lesquels une structuration auto-organisée est généralement observée. Comme règle, ces systèmes sont très éloignés de l'équilibre, un état maintenu par l'apport d'énergie. Les mécanismes qui créent et stabilisent les structures ordonnées dans ces conditions sont mal compris. Les physiciens de LMU Erwin Frey et Jacob Halatek ont ​​maintenant introduit un nouveau cadre théorique qui peut expliquer la formation de motifs dans les systèmes hors équilibre. La nouvelle théorie est décrite dans la revue Physique de la nature .

Frey et Halatek ont ​​concentré leur attention sur les systèmes dynamiques qui sont entraînés par des interactions de conservation de masse, c'est-à-dire, réactions chimiques. Dans les systèmes biologiques, la formation de motifs se manifeste principalement dans la redistribution dynamique de protéines spécifiques. Dans bon nombre de ces systèmes, la dynamique dépend des altérations des conformations des molécules protéiques qui leur permettent de basculer entre un état membranaire et un état de diffusion libre dans la phase soluble de la cellule. "Ce que nous observons en tant que modèle de protéine est généralement un arrangement spatial spécifique, une densité non uniforme, d'une protéine, sur une surface membranaire, " dit Halatek.

La formation de motifs résulte du fait que la distribution d'une protéine donnée entre la membrane et la phase cytosolique change constamment, bien que sa concentration totale dans la cellule reste constante. "La dynamique de la formation de motifs dans un système aussi complexe et étendu qu'une cellule biologique est, cependant, très difficile à capturer, même dans les simulations, " dit Halatek. " C'est pourquoi nous avons divisé les données utilisées dans nos simulations de formation de motifs dans de grands systèmes en un réseau de compartiments beaucoup plus petits, qui sont couplés les uns aux autres."

La densité locale des protéines liées à la membrane et cytosoliques détermine l'équilibre chimique dans chaque compartiment, de sorte que les changements dans le rapport des formes cytosoliques aux formes liées à la membrane des protéines entraînent un déplacement de l'équilibre. Halatek et Frey ont montré que la formation de motifs est une conséquence de ces changements dans les équilibres chimiques locaux. "La redistribution des protéines est entraînée par la diffusion. La diffusion à elle seule conduirait finalement à une distribution homogène de toutes les espèces de protéines dans tout le volume cellulaire, " dit Halatek. Il est donc essentiel pour la formation du motif qu'un gradient de diffusion soit maintenu dans le système, de sorte que les redistributions des protéines sont toujours possibles. Pour cette raison, la formation de motifs dans les systèmes biologiques dépend de réactions enzymatiques qui modifient les conformations des protéines concernées, pour leur permettre de se lier à la membrane, par exemple."

Les deux physiciens ont appliqué leur nouvelle théorie au système Min - un ensemble de trois protéines trouvées dans la bactérie en forme de bâtonnet Escherichia coli, qui interagissent pour générer un modèle d'auto-organisation qui détermine le plan de clivage pendant la division cellulaire. Ils ont observé une autre conséquence de la déstabilisation dynamique des équilibres locaux due au transport de masse :l'émergence de turbulences chimiques. « Ces turbulences, cependant, n'entraînent pas la perte complète de l'ordre que suggèrent les théories classiques, " dit Frey. " Dans notre cadre conceptuel, c'est précisément le contraire qui se produit. Quand on déstabilise le système, on observe que la turbulence se développe relativement rapidement. Mais après une nouvelle perturbation, le système subit une transition dans laquelle il est loin de l'équilibre, mais néanmoins clairement ordonné et non turbulent." Frey et Halatek comparent ce type de comportement à l'effet d'un stimulateur cardiaque, qui contrecarre les arythmies en appliquant des impulsions électriques pour rétablir le schéma normal de conduction des impulsions. "Notre modèle explique comment les 'pacemakers' peuvent émerger par auto-organisation dans des systèmes hors équilibre, " dit Halatek. " En d'autres termes, nous pouvons fournir une réponse claire à la question :quelle partie du « soi » est responsable de « l'organisation ? Ce rôle est joué par les modes instables (« modes de contrôle ») qui modifient la position et la stabilité des équilibres locaux qui déterminent l'évolution temporelle du système. »