Un défi clé dans le développement embryonnaire de formes de vie complexes est la spécification correcte des positions cellulaires afin que les organes et les membres se développent aux bons endroits. Pour comprendre comment les cellules s'organisent aux premiers stades de développement, une équipe interdisciplinaire de mathématiciens appliqués du MIT et d'expérimentateurs de l'université de Princeton a identifié les principes mathématiques régissant les assemblages d'assemblages cellulaires interconnectés.

Dans un article intitulé "Effets entropiques dans les emballages d'arbres de lignées cellulaires, " publié ce mois-ci dans Physique de la nature , l'équipe rapporte des observations expérimentales directes et une modélisation mathématique des empilements de cellules dans des enceintes convexes, un problème de conditionnement biologique rencontré dans de nombreux organismes complexes, y compris les humains.

Dans leur étude, les auteurs ont étudié les emballages multicellulaires dans les chambres d'œufs de la mouche des fruits Drosophila melanogaster, un organisme modèle de développement important. Chaque chambre d'œuf contient exactement 16 cellules germinales qui sont liées par des ponts cytoplasmiques, résultant d'une série de divisions cellulaires incomplètes. Les liaisons forment un arbre de lignée cellulaire ramifié qui est entouré d'une coque approximativement sphérique. A un stade ultérieur, l'une des 16 cellules se développe en ovule fécondable, et le positionnement relatif des cellules est considéré comme important pour l'échange de signaux biochimiques au cours des premiers stades de développement.

Le groupe dirigé par Stanislav Y. Shvartsman de Princeton, professeur de génie chimique et biologique, et le Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics à Princeton a réussi à mesurer les positions spatiales et les connectivités entre les cellules individuelles dans plus de 100 chambres d'œufs. Les expérimentateurs ont eu du mal à expliquer, cependant, pourquoi certaines configurations d'arbres se sont produites beaucoup plus fréquemment que d'autres, dit Jörn Dunkel, professeur agrégé au département de mathématiques du MIT.

Ainsi, alors que l'équipe de Shvartsman a pu visualiser les connexions cellulaires dans des systèmes biologiques complexes, Dunkel et le postdoctorant Norbert Stoop, un récent professeur de mathématiques du MIT, a commencé à développer un cadre mathématique pour décrire les statistiques des empilements de cellules observés.

« Ce projet a été un excellent exemple d'une collaboration interdisciplinaire extrêmement agréable entre la biologie cellulaire et les mathématiques appliquées, " Dit Dunkel. Les expériences ont été réalisées par le doctorant de Shvartsman, Jasmin Imran Alsous, qui commencera un poste postdoctoral au laboratoire d'Adam Martin au département de biologie du MIT cet automne. Ils ont été analysés en collaboration avec le postdoctorant Paul Villoutreix, qui est maintenant à l'Institut des sciences Weizmann en Israël.

Dunkel souligne que si la biologie humaine est considérablement plus complexe que celle d'une mouche des fruits, les processus d'organisation des tissus sous-jacents partagent de nombreux aspects communs.

"Les arbres cellulaires dans la chambre d'œufs stockent l'histoire des divisions cellulaires, comme un arbre d'ascendance dans un sens, " dit-il. " Ce que nous avons pu faire, c'est de cartographier le problème de l'emballage de l'arbre cellulaire dans une chambre à œufs sur un modèle mathématique simple et agréable qui demande essentiellement :si vous prenez les polyèdres convexes fondamentaux avec 16 sommets, Combien y a-t-il de manières différentes d'y intégrer 16 cellules tout en gardant tous les ponts intacts ? »

La présence de connexions physiques rigides entre les cellules ajoute de nouvelles contraintes intéressantes qui rendent le problème différent des problèmes d'emballage les plus couramment considérés, comme la question de savoir comment organiser efficacement les oranges afin qu'elles puissent être transportées dans le moins de conteneurs possible. L'étude interdisciplinaire de Dunkel et de ses collègues, qui combinaient les techniques modernes de marquage biochimique des protéines, Microscopie confocale 3D, analyse informatique d'images, et modélisation mathématique, montre que les problèmes de tassement des arbres contraints surviennent naturellement dans les systèmes biologiques.

Comprendre les principes d'emballage des cellules dans les tissus aux différents stades de développement reste un défi majeur. En fonction de divers facteurs biologiques et physiques, les cellules provenant d'une seule cellule fondatrice peuvent se développer de manières très différentes pour former des muscles, OS, et des organes tels que le cerveau. Alors que le processus de développement "implique un grand nombre de degrés de liberté, le résultat final dans de nombreux cas est très complexe mais aussi très reproductible et robuste, " dit Dunkel.

« Cela pose la question, que beaucoup de gens ont demandé auparavant, si une complexité aussi robuste peut être comprise en termes d'un ensemble de base de biochimiques, physique, et règles mathématiques, " dit-il. " Notre étude montre que de simples contraintes physiques, comme les ponts cellule-cellule résultant de divisions incomplètes, peut affecter de manière significative les emballages des cellules. En substance, ce que nous essayons de faire est d'identifier des modèles traitables relativement simples qui nous permettent de faire des prédictions sur ces systèmes complexes. Bien sûr, pour bien comprendre le développement embryonnaire, la simplification mathématique doit aller de pair avec les connaissances expérimentales de la biologie."

Étant donné que des divisions cellulaires incomplètes ont également été observées chez les amphibiens, mollusques, des oiseaux, et les mammifères, Dunkel espère que l'approche de modélisation développée dans le document pourrait également être applicable à ces systèmes.

"Les contraintes physiques pourraient jouer un rôle important dans la détermination des préférences pour certains types d'organisations multicellulaires, et cela peut avoir des implications secondaires pour la dynamique tissulaire à plus grande échelle qui ne sont pas encore claires pour nous. Une façon simple d'y penser est que ces ponts cytoplasmiques, ou d'autres connexions physiques, peut aider l'organisme à localiser les cellules dans les positions souhaitées, " dit-il. " Cela semble être une stratégie très robuste. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.