Certaines espèces d'Euglenides, une famille diversifiée d'organismes unicellulaires aquatiques, peut effectuer de grande amplitude, déformations corporelles élégamment coordonnées. Bien que ce comportement soit connu depuis des siècles, sa fonction est encore très débattue.

Chercheurs à SISSA, l'Institut national d'océanographie et de géophysique appliquée (OGS), La Scuola Superiore Sant'Anna et l'Universitat Politècnica de Catalunya ont récemment mené une étude sur la motilité d'Euglena Gracilis, un Euglénide, notamment dans sa réponse au confinement. Dans leur étude, Publié dans Physique de la nature , ils ont examiné les réponses d'Euglena gracilis nageant dans des environnements de surpeuplement et de géométrie contrôlés.

"Les mouvements coordonnés de grande amplitude des cellules Euglena, appelé métabolisme, ont été décrits pendant des siècles, et fascinent encore aujourd'hui les microbiologistes, biophysiciens et microscopistes amateurs, " Marino Arroyo, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "A notre connaissance, aucun autre organisme unicellulaire ne peut se déplacer avec une telle élégance et coordination. Encore, comment et pourquoi ils le font est un mystère. La curiosité est ce qui nous a poussés à étudier la motilité d'Euglena."

Les déformations corporelles de grande amplitude et coordonnées observées à Euglena sont généralement appelées «mouvement euglénoïde, ' ou 'métabole'. Le métabolisme varie considérablement entre les espèces et parfois même au sein d'une espèce, allant d'une courbure ou d'une torsion arrondie et douce à des ondes péristaltiques périodiques et très concertées qui se déplacent le long du corps cellulaire.

« Parmi les biophysiciens, le métabolisme était considéré comme un moyen de nager dans un fluide, où vivent ces cellules, " dit Arroyo. " Cependant, les protistologues ne sont pas convaincus par cette fonction pour le métabolisme, comme Euglena peut nager très vite en battant son flagelle, comme beaucoup d'autres types de cellules. Au lieu, le point de vue prédominant est que le métabolisme est un vestige sans fonction «hérité» d'ancêtres qui ont utilisé des déformations du corps cellulaire pour engloutir de grandes proies. Regarder les cellules exécuter une danse si belle et coordonnée, nous ne pensions pas que cela ne servait à rien. Notre étude a commencé comme un effort pour justifier un tel sentiment instinctif non scientifique. »

Les cultures diluées de cellules d'Euglena nagent généralement à l'aide de leur flagelle et sans modifier la forme de leur corps. Arroyo et ses collègues, cependant, observé qu'au fur et à mesure que le temps passait et que le fluide sous le microscope s'évaporait, leur culture est devenue plus dense et les cellules ont commencé à développer un métabolisme.

« Inspiré de ces observations et des vidéos YouTube amateurs, nous avons émis l'hypothèse que les déformations cellulaires pourraient être déclenchées par le contact avec d'autres cellules ou frontières dans un environnement surpeuplé, et que dans ces conditions, le métabolisme pourrait être utile pour ramper, plutôt que de nager, " Antonio De Simone, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Confirmer cette hypothèse était remarquablement facile. Dès que nous avons légèrement pressé les cellules entre deux surfaces de verre, ou les a enfoncés dans de minces capillaires, ils ont commencé à effectuer systématiquement le métabolisme, ce qui a entraîné l'exploration la plus rapide par n'importe quel type de cellule, pour autant que nous sachions, " a ajouté Giovanni Noselli, le premier auteur de l'étude.

Une fois qu'ils ont fini de tester cette hypothèse, les chercheurs ont commencé à comparer le comportement de rampement qu'ils ont observé à Euglena avec celui de cellules animales, pour laquelle un plus grand nombre d'études sont actuellement disponibles. Des études antérieures ont observé que les cellules animales rampant dans un tube mince ont tendance à pousser contre ses parois afin d'avancer et de surmonter la résistance du fluide dans le tube.

"Nous avons trouvé que, grâce à leurs déformations péristaltiques, Euglena peut pousser soit sur les parois soit sur le fluide pour avancer, faisant du métabolisme un mode de locomotion confiné remarquablement robuste, " a déclaré De Simone. " Ils peuvent en fait se déplacer en déplaçant très peu de fluide dans un mode de propulsion " furtif ", et ils ne peuvent pas être arrêtés même si la résistance hydraulique dans le capillaire est considérablement augmentée."

Dans leurs expériences, Arroyo, De Simone, Noselli et leur collègue Alfred Beran ont remarqué que les cellules Euglena étaient capables d'adapter leur démarche à divers degrés de confinement. Pour effectuer ce comportement, les cellules pourraient utiliser un système sensoriel pour détecter leur environnement environnant et une forme de traitement interne de l'information pour adapter leur activité en fonction du degré de confinement.

Les chercheurs ont trouvé cette explication déroutante, cependant, d'autant plus que les Euglena sont des cellules uniques sans système nerveux. Pour mieux comprendre comment une seule cellule Euglena peut contrôler un mode de locomotion aussi adaptable et robuste, Arroyo et ses collègues ont modélisé informatiquement l'appareil mobile des cellules Euglena, qui est essentiellement une enveloppe cellulaire striée.

"Nous nous sommes demandé si leur enveloppe active, appelé une pellicule, responsable des déformations cellulaires, s'adapterait mécaniquement à des conditions mécaniques variables, " dit Arroyo. " Pour examiner cela, nous avons développé un modèle informatique montrant que la compliance des matériaux et des moteurs moléculaires qui composent l'enveloppe active d'Euglena pourrait expliquer cette adaptabilité, qui en robotique est appelée intelligence mécanique ou incarnée. »

Arroyo et ses collègues ont recueilli des observations fascinantes sur les déformations corporelles de certains Euglenides, suggérant que ce comportement pourrait, dans certains cas, être déclenchée par le confinement. En plus de démontrer une fonction du métabolisme, leur étude a établi une nouvelle catégorie de robots cellulaires, qui sont particulièrement rapides, robuste et adaptable.

« Si ramper par métabolisme est si avantageux, on peut se demander pourquoi il n'est pas conservé parmi d'autres espèces, " dit Arroyo. " La réponse est que cela nécessite une machinerie complexe, la pellicule, qui est une enveloppe striée constituée de bandes élastiques reliées par des moteurs moléculaires. Cette surface sélectivement déformable se situe quelque part entre la paroi rigide des cellules végétales et l'enveloppe fluide des cellules animales. Au-delà de la biologie, nous pensons que les principes physiques/géométriques sous-jacents qui permettent les changements de forme de cette enveloppe peuvent être appliqués aux systèmes artificiels, par exemple. en robotique douce."

Le modèle informatique développé par Arroyo et ses collègues pourrait enfin faire la lumière sur la fonction des mouvements euglénoïdes largement documentés. Leurs résultats suggèrent que l'adaptabilité de la démarche de ces organismes ne nécessite pas de rétroaction mécanosensible spécifique, mais pourrait plutôt s'expliquer par l'autorégulation mécanique d'un système moteur élastique et étendu.

Dans leur récente étude, les chercheurs ont réussi à identifier une fonction et les principes de fonctionnement derrière la déformation corporelle adaptable des cellules Euglena. Ils envisagent maintenant d'étudier plus avant les mécanismes cellulaires par lesquels le métabolisme est déclenché et par lesquels les déformations cellulaires se propagent.

"Nous prévoyons d'examiner le métabolisme de différentes espèces d'Euglena, " a déclaré DeSimone. "Les observations préliminaires révèlent diverses saveurs de métabolisme. Nous travaillons également à la construction de matériaux et dispositifs artificiels inspirés de l'enveloppe active et déformable des cellules d'Euglena".

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