Lorsqu'un ovule de presque toutes les espèces à reproduction sexuée est fécondé, il déclenche une série de vagues qui ondulent à la surface de l'œuf. Ces ondes sont produites par des milliards de protéines activées qui traversent la membrane de l'œuf comme des flux de minuscules sentinelles fouisseuses, signaler à l'œuf de commencer à se diviser, pliant, et se diviser à nouveau, pour former les premières graines cellulaires d'un organisme.

Maintenant, les scientifiques du MIT ont examiné en détail la configuration de ces vagues, produit à la surface des œufs d'étoiles de mer. Ces œufs sont gros et donc faciles à observer, et les scientifiques considèrent que les œufs d'étoiles de mer sont représentatifs des œufs de nombreuses autres espèces animales.

Dans chaque œuf, l'équipe a introduit une protéine pour imiter le début de la fécondation, et enregistré le motif des vagues qui se sont répercutées sur leurs surfaces en réponse. Ils ont observé que chaque vague a émergé dans un motif en spirale, et que plusieurs spirales tournoyaient à la fois sur la surface d'un œuf. Certaines spirales sont apparues spontanément et ont tourbillonné dans des directions opposées, tandis que d'autres sont entrés en collision frontale et ont immédiatement disparu.

Le comportement de ces vagues tourbillonnantes, les chercheurs ont réalisé, est similaire aux ondes générées dans d'autres, des systèmes apparemment sans rapport, comme les tourbillons dans les fluides quantiques, les circulations dans l'atmosphère et les océans, et les signaux électriques qui se propagent dans le cœur et le cerveau.

"On ne savait pas grand-chose de la dynamique de ces ondes de surface dans les œufs, et après avoir commencé à analyser et à modéliser ces ondes, nous avons trouvé ces mêmes schémas dans tous ces autres systèmes, " dit le physicien Nikta Fakhri, le professeur adjoint Thomas D. et Virginia W. Cabot au MIT. "C'est une manifestation de ce modèle de vague très universel."

"Cela ouvre une toute nouvelle perspective, " ajoute Jörn Dunkel, professeur agrégé de mathématiques au MIT. "Vous pouvez emprunter beaucoup de techniques que les gens ont développées pour étudier des modèles similaires dans d'autres systèmes, apprendre quelque chose sur la biologie.

Fakhri et Dunkel ont publié aujourd'hui leurs résultats dans la revue Physique de la nature . Leurs co-auteurs sont Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller, et Melis Tekant du MIT.

Trouver son centre

Des études antérieures ont montré que la fécondation d'un ovule active immédiatement Rho-GTP, une protéine dans l'œuf qui flotte normalement dans le cytoplasme de la cellule dans un état inactif. Une fois activé, des milliards de protéines sortent du bourbier du cytoplasme pour se fixer à la membrane de l'œuf, serpentant le long du mur par vagues.

"Imaginez si vous avez un aquarium très sale, et une fois qu'un poisson nage près du verre, tu peux le voir, " explique Dunkel. " De la même manière, les protéines sont quelque part à l'intérieur de la cellule, et quand ils s'activent, ils s'attachent à la membrane, et vous commencez à les voir bouger."

Fakhri dit que les vagues de protéines se déplaçant à travers la membrane de l'œuf servent, en partie, pour organiser la division cellulaire autour du noyau de la cellule.

"L'œuf est une énorme cellule, et ces protéines doivent travailler ensemble pour trouver son centre, pour que la cellule sache où se diviser et se replier, plusieurs fois, former un organisme, " dit Fakhri. " Sans ces protéines qui font des vagues, il n'y aurait pas de division cellulaire."

Dans leur étude, l'équipe s'est concentrée sur la forme active de Rho-GTP et le modèle d'ondes produites à la surface d'un œuf lorsqu'elles modifient la concentration de la protéine.

Pour leurs expériences, ils ont obtenu environ 10 ovules des ovaires d'étoiles de mer grâce à une intervention chirurgicale mini-invasive. Ils ont introduit une hormone pour stimuler la maturation, et également injecté des marqueurs fluorescents à attacher à toutes les formes actives de Rho-GTP qui se sont élevées en réponse. Ils ont ensuite observé chaque œuf à l'aide d'un microscope confocal et observé des milliards de protéines activées et ondulées à la surface de l'œuf en réponse à des concentrations variables de la protéine hormonale artificielle.

"De cette façon, nous avons créé un kaléidoscope de différents modèles et examiné leur dynamique résultante, " dit Fakhri.

Piste d'ouragan

Les chercheurs ont d'abord assemblé des vidéos en noir et blanc de chaque œuf, montrant les ondes lumineuses qui ont voyagé sur sa surface. Plus une région est lumineuse dans une vague, plus la concentration de Rho-GTP dans cette région particulière est élevée. Pour chaque vidéo, ils ont comparé la luminosité, ou concentration de protéines de pixel à pixel, et utilisé ces comparaisons pour générer une animation des mêmes modèles d'ondes.

De leurs vidéos, l'équipe a observé que les vagues semblaient osciller vers l'extérieur comme minuscules, spirales ressemblant à des ouragans. Les chercheurs ont retracé l'origine de chaque vague jusqu'au cœur de chaque spirale, qu'ils appellent un "défaut topologique". Par curiosité, ils suivaient eux-mêmes le mouvement de ces défauts. Ils ont effectué des analyses statistiques pour déterminer à quelle vitesse certains défauts se sont déplacés sur la surface d'un œuf, et à quelle fréquence, et dans quelles configurations les spirales ont surgi, est entré en collision, et disparu.

Dans une tournure surprenante, ils ont constaté que leurs résultats statistiques, et le comportement des vagues à la surface d'un œuf, étaient les mêmes que le comportement des vagues dans d'autres systèmes plus grands et apparemment sans rapport.

« Quand vous regardez les statistiques de ces défauts, c'est essentiellement la même chose que les tourbillons dans un fluide, ou des ondes dans le cerveau, ou des systèmes à plus grande échelle, " dit Dunkel. " C'est le même phénomène universel, juste réduit au niveau d'une cellule."

Les chercheurs s'intéressent particulièrement à la similitude des ondes avec les idées de l'informatique quantique. Tout comme le motif des vagues dans un œuf transmet des signaux spécifiques, dans ce cas de division cellulaire, l'informatique quantique est un domaine qui vise à manipuler des atomes dans un fluide, dans des motifs précis, afin de traduire des informations et d'effectuer des calculs.

"Peut-être pouvons-nous maintenant emprunter des idées aux fluides quantiques, construire des mini-ordinateurs à partir de cellules biologiques, " dit Fakhri. " Nous nous attendons à quelques différences, mais nous essaierons d'explorer davantage [les ondes de signalisation biologiques] en tant qu'outil de calcul."