Des physiciens de l'Université Ludwig Maximilian de Munich qui étudient la formation de motifs spontanés dans un système modèle comprenant des protéines mobiles ont découvert des phénomènes jusqu'ici inobservés. Leurs découvertes offrent de nouvelles perspectives sur les processus biologiques.

Vols d'oiseaux et suspensions bactériennes, mais aussi les systèmes protéiques filamenteux dynamiques qui composent le cytosquelette des cellules eucaryotes, avoir quelque chose en commun. Du point de vue du physicien, ce sont tous des exemples de matière active, c'est-à-dire des systèmes dont les composants sont capables de convertir l'énergie chimique en mouvement actif. Comment ces composants s'auto-organisent en assemblages fonctionnels est l'un des problèmes centraux de la biologie cellulaire, parce que bon nombre des processus essentiels qui se déroulent dans les cellules sont basés sur l'auto-organisation de structures moléculaires complexes en motifs. En collaboration avec le professeur Andreas Bausch de l'Université technique de Munich, Les physiciens du LMU dirigés par le professeur Erwin Frey ont étudié un système modèle populaire pour la matière active, et découvert des phénomènes jamais observés auparavant. Tout d'abord, les chercheurs ont découvert que des modèles distincts peuvent émerger dans les mêmes conditions de départ et, par ailleurs, ces états ordonnés peuvent coexister dynamiquement les uns avec les autres. Deuxièmement, les fluctuations subtiles au niveau microscopique ne disparaissent pas. Au contraire, ils peuvent avoir des conséquences importantes pour l'ensemble du système au niveau macroscopique. La nouvelle étude paraît dans la revue Science .

Frey et ses collègues ont utilisé un test de motilité standard comme modèle. Dans ce système, les protéines motrices de la myosine sont attachées à un substrat pour former une sorte de tapis. Puis une solution contenant des polymères filamenteux de la protéine actine est ajoutée. En présence d'une source d'énergie chimique (ATP), les filaments se lient aux protéines motrices et sont activement transportés dans le réseau. « Dans des conditions normales, les filaments d'actine se déplacent en amas ondulatoires, " dit Lorenz Huber, un doctorant dans le groupe Frey et, avec Ryo Suzuki et Timo Krüger, co-premier auteur de l'article. Les expériences réalisées dans le laboratoire de Bausch ont montré, cependant, que des modifications mineures dans les interactions entre les protéines ont un effet inattendu sur ce modèle. L'ajout d'une petite quantité du polymère organique polyéthylène glycol au système réduit efficacement le volume disponible pour les filaments d'actine. Dans ces conditions, non seulement la fréquence, mais aussi le type d'interactions observées change fortement, et les fronts d'onde qui avancent se transforment en formes filiformes qui s'allongent, plutôt comme des pistes de fourmis. Cela démontre que même mineur, des modifications locales peuvent altérer drastiquement le comportement du système au niveau macroscopique. "Normalement, on suppose que les petits détails deviennent insignifiants à plus grande échelle - mais ici, les petites différences sont progressivement amplifiées et ont un impact de plus en plus important à mesure que l'on augmente l'échelle du système, " dit Huber.

Les chercheurs ont ensuite développé un modèle théorique qui capture les mouvements des filaments et reproduit les observations expérimentales. Les simulations basées sur ce modèle ont également révélé une région de l'espace des paramètres dans laquelle à la fois des structures ondulatoires et des traînées de fourmis émergent simultanément - et peuvent coexister de manière stable les unes avec les autres. « Cette émergence de la bistabilité indique que nous avons identifié une nouvelle phase de la matière, " dit Frey. Dans d'autres expériences de laboratoire, l'équipe était en effet capable de générer les deux états d'organisation à la fois. "C'est vraiment fascinant à regarder. Les ondes polarisées déferlent sur les traînées de fourmis et les anéantissent virtuellement, laissant derrière lui une sorte de moraine, qui sert à semer la formation d'une nouvelle traînée de fourmis. Le système présente donc une interaction très intéressante et dynamique entre les deux types de motifs, " dit Huber.

Ces résultats indiquent que les systèmes de matière active ont une capacité unique à donner naissance à différentes sortes de modèles dynamiques dans des conditions de départ identiques. Selon les auteurs de l'étude, cette idée a des implications profondes pour divers domaines de recherche, et pourrait conduire à de nouvelles façons de comprendre les processus biologiques. "Cela incite à réfléchir à la façon dont un système biologique peut générer simultanément différents types d'ordres à l'aide d'un ensemble donné de composants, " conclut Huber.

Cet article sera publié en ligne par la revue Science jeudi, 28 juin, 2018.