Chez de nombreuses espèces, y compris les humains, les cellules responsables de la reproduction, les cellules germinales, sont souvent très interconnectés et partagent leur cytoplasme. Chez le nématode hermaphrodite Caenorhabditis elegans, jusqu'à 500 cellules germinales sont connectées les unes aux autres dans la gonade, le tissu qui produit les ovules et le sperme. Ces cellules sont disposées autour d'un "corridor" cytoplasmique central et échangent du matériel cytoplasmique favorisant la croissance cellulaire, et finalement produire des ovocytes prêts à être fécondés.

Dans les études antérieures, les chercheurs ont découvert que les gonades de C. elegans génèrent plus de cellules germinales que nécessaire et que seulement la moitié d'entre elles se développent pour devenir des ovocytes, tandis que les autres rétrécissent et meurent par apoptose physiologique, une mort cellulaire programmée qui se produit dans les organismes multicellulaires. Maintenant, des scientifiques du Centre de biotechnologie de la TU Dresden (BIOTEC), l'Institut Max Planck de biologie cellulaire et de génétique moléculaire (MPI-CBG), le Pôle d'Excellence Physique du Vivant (PoL) de la TU Dresden, l'Institut Max Planck de Physique des Systèmes Complexes (MPI-PKS), l'Institut Flatiron, NEW YORK, et l'Université de Californie, Berkeley, ont trouvé des preuves pour répondre à la question de savoir ce qui déclenche cette décision de destin cellulaire entre la vie et la mort dans la lignée germinale.

Des études antérieures ont révélé la base génétique et les signaux biochimiques qui entraînent la mort cellulaire physiologique, mais les mécanismes qui sélectionnent et initient l'apoptose dans les cellules germinales individuelles restent flous. Au fur et à mesure que les cellules germinales mûrissent le long de la gonade du nématode, ils croissent d'abord collectivement en taille et en volume de manière homogène. Dans l'étude qui vient d'être publiée dans Physique de la nature , les scientifiques montrent que cette croissance homogène passe soudainement à une croissance hétérogène où certaines cellules deviennent plus grosses et certaines cellules deviennent plus petites.

Le chercheur Nicolas Chartier dans le groupe de Stephan Grill, et co-premier auteur de l'étude, explique, « En analysant précisément les volumes de cellules germinales et les flux de matériel cytoplasmique chez les vers vivants et en développant une modélisation théorique, nous avons identifié une instabilité hydraulique qui amplifie les petites différences aléatoires initiales de volume, ce qui fait que certaines cellules germinales augmentent de volume au détriment des autres qui rétrécissent. C'est un phénomène, qui peut être comparée à l'instabilité à deux ballons, bien connu des physiciens. Une telle instabilité survient lorsqu'on souffle simultanément dans deux ballons en caoutchouc en essayant de les gonfler tous les deux. Seul le plus gros ballon se gonflera, car il a une pression interne inférieure à la plus petite, et est donc plus facile à gonfler."

C'est ce qui est en jeu dans la sélection des cellules germinales :de telles différences de pression ont tendance à déstabiliser la configuration symétrique à volumes de cellules germinales égaux, les instabilités dites hydrauliques, conduisant à la croissance de la plus grande cellule germinale au détriment de la plus petite. En réduisant artificiellement les volumes de cellules germinales par pompage thermovisqueux (méthode FLUCS :Focused-light-induit cytoplasmic streaming), l'équipe a démontré que la réduction des volumes cellulaires entraîne leur extrusion et leur mort cellulaire, indiquant qu'une fois qu'une cellule est en dessous d'une taille critique, l'apoptose est induite et la cellule meurt.

En utilisant l'imagerie confocale, les chercheurs ont pu imager l'organisme complet du ver vivant pour recevoir une image globale et précise des volumes de toutes les cellules gonadiques, ainsi que l'échange de fluides entre les cellules. Stéphan Grill, Intervenant du Pôle d'Excellence Physique du Vivant (PoL) et encadrant des travaux pluridisciplinaires, ajoute, "Ces découvertes sont très excitantes car elles révèlent que la décision de vie ou de mort dans les cellules est de nature mécanique et liée à l'hydraulique des tissus. Cela aide à comprendre comment l'organisme sélectionne automatiquement une cellule qui deviendra un œuf. De plus, l'étude est un autre exemple de l'excellente coopération entre les biologistes, physiciens et mathématiciens à Dresde."