Au tout début de la vie, les animaux subissent certaines de leurs transformations physiques les plus spectaculaires. Autrefois de simples taches de cellules en division, ils commencent à se réorganiser dans leurs formes les plus caractéristiques, qu'ils pêchent, oiseaux ou humains. Comprendre comment les cellules agissent ensemble pour construire des tissus a été un problème fondamental en physique et en biologie.

Maintenant, Otger Campàs, professeur à l'UC Santa Barbara, qui est également titulaire de la Chaire Mellichamp en biologie des systèmes et bio-ingénierie, et Sangwoo Kim, un stagiaire postdoctoral au laboratoire du professeur Campàs, ont abordé cette question, avec des découvertes surprenantes.

"Lorsque vous avez de nombreuses cellules qui interagissent physiquement les unes avec les autres, comment le système se comporte-t-il collectivement ? Quel est l'état physique de l'ensemble ?", a déclaré Campàs.

En effet, il expliqua, le tissu cellulaire embryonnaire est un « matériau étrange, " avec chaque cellule consommant de l'énergie chimique et l'utilisant pour appliquer des forces à ses voisines et coordonner leurs actions. Les études in vitro avec des cellules dans des boîtes synthétiques ne fournissent qu'une partie du tableau, il ajouta; en étudiant les cellules dans leur environnement natif, l'embryon vivant, ils pourraient découvrir comment les cellules contrôlent leur état collectif et les transitions de phase qui émergent de leur symphonie de poussées et d'attractions.

Dans un article publié en Physique de la nature , Campàs, Kim et ses collègues rapportent le développement d'un cadre informatique qui capture les diverses interactions entre les cellules et les relie à la dynamique des tissus embryonnaires. Contrairement aux simulations précédentes, ce cadre prend en compte plusieurs caractéristiques clés pertinentes pour les interactions cellulaires, comme les espaces entre les cellules, les formes des cellules et les fluctuations de tension là où les cellules se rencontrent.

"Pour bien comprendre le comportement physique des tissus embryonnaires, tous les aspects clés des tissus embryonnaires à l'échelle cellulaire doivent être pris en compte dans le modèle, car les propriétés des tissus émergents découlent des interactions à l'échelle cellulaire, " dit Kim, l'auteur principal de l'étude. « Il existe de nombreux modèles pour étudier les tissus embryonnaires, mais il n'y a pas de cadre général qui inclut ces fonctionnalités clés, entraver la compréhension holistique des comportements physiques des tissus embryonnaires. »

Cellules agitées

Tissu embryonnaire, selon les chercheurs, se comporte physiquement un peu comme une mousse aqueuse, un système composé de poches d'air individuelles agglutinées dans un liquide. Pensez à la mousse de savon ou à la mousse de bière.

« Dans le cas de la mousse, sa structure et sa dynamique sont régies par la tension superficielle, ", a déclaré Kim. Des forces analogues se trouvent là où les cellules entrent en contact les unes avec les autres dans le tissu embryonnaire, sur les deux faces internes des membranes cellulaires et entre les cellules.

"Les forces efficaces agissant sur les jonctions de cellule à cellule sont régies par la tension corticale et l'adhésion de cellule à cellule, " Kim a dit, « de sorte que la force nette aux contacts de cellule à cellule peut être modélisée comme une tension de surface efficace. »

Cependant, contrairement aux forces plus statiques entre les cellules des mousses typiques, les forces entre les cellules du tissu embryonnaire sont dynamiques.

"Les cellules des tissus ne génèrent pas de forces statiques, mais plutôt afficher une poussée et une traction dynamiques au fil du temps, " a expliqué Campàs. " Et nous constatons que ce sont en fait ces fluctuations de tension qui " font fondre " efficacement le tissu dans un état fluide. " C'est cette fluidité du tissu qui permet aux cellules de se réorganiser et de façonner les tissus, il expliqua.

Les chercheurs ont mis leur modèle à l'épreuve en mesurant l'évolution des forces dans le temps chez le poisson zèbre embryonnaire, un organisme modèle populaire pour ceux qui étudient le développement des vertébrés. S'appuyant sur une technique développée au Campàs Lab utilisant de minuscules gouttelettes magnétiques insérées entre les cellules chez le poisson zèbre embryonnaire, ils ont pu confirmer, d'ailleurs la goutte s'est déformée, les forces dynamiques derrière l'état fluide du tissu.

Leur découverte selon laquelle les fluctuations de tension sont responsables de la fluidité des tissus au cours du développement contraste avec la notion généralement acceptée selon laquelle les changements d'adhérence entre les cellules sont le facteur critique qui contrôle la fluidité du tissu - si l'adhérence entre les cellules atteint un certain seuil élevé. , le tissu deviendrait fluide.

"Mais puisque les forces et les tensions cellulaires fluctuent dans les embryons, il se pourrait que ceux-ci aient joué un rôle important dans la fluidisation des tissus, " a déclaré Campàs. " Ainsi, lorsque nous avons effectué les simulations et fait les expériences, on s'est rendu compte qu'en fait le tremblement était bien plus important pour la fluidisation que l'adhérence." L'état fluide du tissu est le résultat de la dynamique des forces, plutôt que des changements dans la tension ou l'adhérence statique des cellules.

Les résultats de cette étude pourraient avoir des implications dans le domaine de la physique, en particulier dans le domaine de la matière active - des systèmes de nombreuses unités individuelles qui consomment chacune de l'énergie et appliquent des forces mécaniques qui présentent collectivement des comportements collectifs émergents. L'étude pourrait également éclairer des études en biologie, dans des recherches sur la façon dont les changements dans les paramètres cellulaires individuels pourraient contrôler l'état global du tissu, comme le développement embryonnaire ou les tumeurs.