Alors que la majeure partie de la biologie et de la médecine se concentre sur les rôles clés que jouent les gènes et les produits chimiques dans la formation et le contrôle des systèmes vivants, l'agencement spatial des composants qui composent ces systèmes et les forces physiques qu'ils subissent sont de plus en plus reconnus comme tout aussi importants. Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., Directeur fondateur du Wyss Institute de l'Université Harvard, a commencé à enquêter sur cette « architecture de la vie » il y a plus de trente-cinq ans, et a découvert que la nature utilise un principe architectural connu sous le nom de « tenségrité » (abréviation de « intégrité tensionnelle ») pour stabiliser les formes des cellules vivantes et pour déterminer comment elles réagissent aux forces mécaniques.

Les structures de tenségrité sont constituées d'éléments qui sont soit dans un état de tension soit de compression, et l'équilibre entre ces forces en interaction permet à de telles structures de se stabiliser en état de tension isométrique, tout comme les muscles et les os de notre corps. Cette tension interne ou « précontrainte » permet à l'ensemble de la structure de résister aux sollicitations des forces extérieures, se déformer de manière contrôlée, et revient spontanément à sa forme d'origine lorsque le stress est supprimé. L'idée que la tenségrité dicte la forme et l'organisation des cellules vivantes était initialement controversée, mais à la suite de la validation expérimentale dans plusieurs systèmes, il a gagné en acceptation au fil du temps.

La tenségrité peut aussi être hiérarchique, en ce que chaque élément structurel peut être lui-même une structure de tenségrité à plus petite échelle, avec une intégrité tensionnelle maintenue à la fois localement et mondialement. Sur la base de ces propriétés, Ingber a également proposé dans un article "Scientific American" en 1998 que la tenségrité pourrait s'appliquer au-delà du niveau cellulaire à toutes les échelles de taille de la vie, des atomes aux organismes entiers. Des travaux récents d'Ingber et d'autres ont fourni un support expérimental à cette hypothèse en démontrant que la tenségrité est utilisée à l'échelle des noyaux cellulaires, éléments du cytosquelette, et des molécules individuelles. Cependant, étudier le fonctionnement de la tenségrité dans des structures hiérarchiques complexes qui subissent des changements spectaculaires de forme (comme les enzymes et d'autres protéines) s'est avéré difficile, en partie à cause des limites des méthodes de modélisation biologique existantes.

En utilisant une nouvelle méthode de modélisation multi-échelles, Ingber (qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, et professeur de bio-ingénierie à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard) et le scientifique de Wyss Charles Reilly ont maintenant démontré avec succès que les principes de tenségrité sont utilisés à différents niveaux de taille et de complexité structurelle au sein des cellules vivantes. Leurs travaux ont également révélé comment les changements de forme moléculaire basés sur la tenségrité peuvent entraîner le mouvement des parties cellulaires. La recherche, signalé dans Lettres de mécanique extrême , élucide davantage l'importance de la tenségrité en tant que principe fondamental de la biologie.

La nouvelle approche de modélisation informatique de l'équipe adopte une vision holistique, traiter chaque modèle comme une série d'opérations mathématiques qui peuvent changer dynamiquement en réponse à différentes entrées plutôt qu'une collection de points de données statiques. "La différence entre notre méthode et d'autres méthodes de modélisation est un peu comme les différentes façons dont vous pouvez utiliser les feuilles de calcul Excel, " dit Reilly. " Si vous mettez manuellement un tas de données dans une feuille de calcul, puis modifiez le contenu d'une cellule, il ne mettra pas à jour les autres cellules qui l'entourent. Mais si vous utilisez une formule et alimentez les modifications de données via cette formule, il met automatiquement à jour toutes les cellules de la feuille de calcul. C'est essentiellement ce que nous faisons, mais pour des modèles multi-échelles de molécules biologiques et de systèmes de taille et de complexité variables."

Cette stratégie, également connu sous le nom de « modélisation procédurale », " permet d'intégrer des données de tailles et de formats différents dans un modèle multi-échelles, en le construisant de bas en haut et de haut en bas simultanément, plutôt que de partir d'ensembles de données discrets qui décrivent chacun un seul aspect du modèle et d'essayer de les réconcilier. Dans une publication récente dans ACS Nano, Reilly et Ingber ont développé cette méthode en combinant des approches logicielles d'animation par ordinateur de l'industrie du divertissement avec des outils de simulation de dynamique moléculaire rigoureux couramment utilisés dans la recherche biologique. Ils ont utilisé cette nouvelle approche de simulation pour construire un modèle de spermatozoïde qui démontre le mouvement cellulaire des molécules de protéine de dynéine individuelles dans la queue jusqu'à la cellule entière, leur permettant d'observer comment les changements au niveau atomique se reflètent dans des structures à plus grande échelle. Ils ont également tiré parti de cette avancée pour produire un film d'animation divertissant pour le public non spécialisé qui transmet la beauté et l'émerveillement de la fécondation des œufs intitulé, "Le début, " qui a été publié avec le journal.

Dans leur dernier article, ils montrent que ce même modèle révèle la tenségrité à l'œuvre à travers plusieurs échelles de taille dans la structure hiérarchique d'une cellule vivante. Au niveau moléculaire, des molécules de dynéine individuelles dont les formes sont stabilisées par précontrainte se sont avérées avoir des zones de rigidité accrue autour de leurs sites de liaison à l'ATP, qui résistent à la déformation par l'énergie entrante de l'ATP et traduisent à la place cette force dans le mouvement caractéristique de la molécule de dynéine. Les changements de forme collectifs de plusieurs dynéines génèrent des forces de tension qui s'exercent sur le long, microtubules résistants à la compression auxquels ils sont liés à plus grande échelle. Ces forces de tension entraînent alors une flexion cyclique des microtubules, ce qui provoque une flexion rythmique de la queue du spermatozoïde au niveau de la cellule entière.

"C'est la première étude, A notre connaissance, qui démontre la continuité mécanique, transfert de contrainte, et les changements de conformation qui résultent de la libération d'énergie chimique de l'échelle atomique jusqu'au niveau de la cellule entière, ainsi que la façon dont la tenségrité guide ces changements pour stimuler le mouvement cellulaire, " dit Ingber.

Les chercheurs ont ensuite modélisé un nouveau système avec le même processus :l'enzyme mitochondriale ATP synthase, qui présente également un changement de conformation distinct qui est dicté par l'application de la force à la structure enzymatique, qui se propage via la tenségrité. La modification de la concentration de la molécule de substrat de l'enzyme dans le modèle a produit un résultat qui décrit comment l'ATP synthase interagit avec son microenvironnement. D'autres recherches ont suggéré que la prévalence plus élevée de molécules enzymatiques sur les plis internes par rapport aux plis externes des crêtes mitochondriales pourrait, En réalité, contribuent également aux propriétés physiques du microenvironnement, ce qui implique que la tenségrité stabilise également les structures à l'échelle d'interactions multimoléculaires complexes.

"Nous avons concentré nos recherches dans cet article sur les structures à l'échelle cellulaire et vers le bas, mais cette méthode de modélisation peut également être étendue à des structures plus grandes, de telle sorte que vous puissiez modéliser presque n'importe quel système multi-échelle, " dit Reilly. Les chercheurs prévoient que leur approche pourrait être utilisée pour produire des modèles pour une variété d'applications, de la mécanobiologie à la transduction du signal cellulaire en passant par le décodage des fondements de la vie elle-même.

"La tenségrité est un bon exemple d'un principe de conception biologique dont nous nous sommes inspirés ici à l'Institut Wyss, et que nous exploitons pour créer de nouvelles technologies, " ajoute Ingber. "Par exemple, travailler avec [Membre fondateur du corps professoral et co-responsable de la robotique moléculaire] William Shih, nous avons construit des nanodispositifs à ADN basés sur la tenségrité qui peuvent être programmés pour changer de forme à la demande pour des applications biomédicales, et avec [membre du corps professoral et co-responsable de Bioinspired Robotics] Radhika Nagpal, nous avons conçu un auto-déformant, robot modulaire qui peut effectuer une variété de manœuvres plus rapidement que les robots traditionnels. Maintenant que nous avons une approche de modélisation qui valide et intègre la tenségrité, nous espérons pouvoir l'étudier et l'employer de manières entièrement nouvelles et inattendues."