La maladie du paludisme est déclenchée par des parasites unicellulaires qui s'accumulent en grands groupes dans les glandes salivaires des moustiques avant de se transmettre à l'homme. L'espace limité qui s'y trouve les empêche de se déplacer réellement, à moins que cette restriction ne soit levée au moyen d'une préparation expérimentale appropriée. Dans un tel ensemble d'expériences, des chercheurs de l'Université de Heidelberg ont mis les agents pathogènes en mouvement et analysé les données d'image acquises à l'aide de méthodes de traitement d'image de pointe. Les données montrent que les agents pathogènes se déplaçant collectivement forment des systèmes de vortex largement déterminés par des principes physiques. Des simulations informatiques spéciales ont permis d'identifier les mécanismes sous-jacents à ces mouvements de rotation.

Le mouvement collectif des organismes biologiques est un phénomène courant dans le monde naturel. Les insectes et les poissons, par exemple, ont tendance à se déplacer en essaims. Souvent, le mouvement collectif se produit également au niveau cellulaire, comme lorsque les cellules cancéreuses migrent d'une tumeur ou que les bactéries forment un biofilm. La collaboration de nombreux individus peut donner lieu à ce qu'on appelle un comportement émergent - de nouvelles caractéristiques qui n'existeraient pas autrement sous cette forme.

"En physique, la collectivité crée des processus aussi importants que les transitions de phase, la supraconductivité et les propriétés magnétiques", explique le professeur Ulrich Schwarz, chef du groupe de travail Physique des biosystèmes complexes à l'Institut de physique théorique de l'Université de Heidelberg. Dans une étude interdisciplinaire en collaboration avec le professeur Dr. Friedrich Frischknecht (recherche sur le paludisme) et le professeur Dr. Karl Rohr (analyse d'images biomédicales), il a montré que le mouvement collectif peut également se produire chez Plasmodium, l'agent causal du paludisme.

L'organisme unicellulaire est injecté dans la peau par une piqûre de moustique, se développant d'abord dans le foie, puis plus tard dans le sang. Parce que Plasmodium agit comme une cellule unique dans la plupart de ses étapes, jusqu'à présent, ses propriétés collectives n'ont guère été étudiées. Dans la glande salivaire du moustique, le parasite a une forme longue et incurvée, semblable à un croissant de lune, et est connu sous le nom de sporozoïte. "Dès que les sporozoïtes sont injectés dans la peau par le moustique, les parasites individuels commencent à se déplacer rapidement vers les vaisseaux sanguins. C'est la phase critique de l'infection, car elle ne réussit que si un agent pathogène atteint la circulation sanguine", explique le professeur . Frischknecht.

Dans leurs études au Centre des maladies infectieuses de l'hôpital universitaire de Heidelberg, Friedrich Frischknecht et son équipe ont découvert que les parasites des glandes salivaires infectées peuvent être mobilisés collectivement. Pour ce faire, les glandes salivaires sont disséquées du moustique et soigneusement pressées entre deux petites plaques de verre. Les chercheurs ont été surpris de découvrir que les cellules en forme de croissant de lune forment des tourbillons rotatifs dans la nouvelle préparation. Ils rappellent les mouvements collectifs des bactéries ou des poissons, bien qu'ils diffèrent en ce sens qu'ils tournent toujours dans le même sens. Les tourbillons parasites ont donc un caractère chiral et, de manière également inattendue, une taille fluctuante. Selon le professeur Frischknecht, ces oscillations indiquent des caractéristiques émergentes, car elles ne sont possibles que dans le collectif des cellules en mouvement et se renforcent dans les tourbillons plus grands.

Pour comprendre plus précisément ces phénomènes, les données expérimentales ont été analysées quantitativement. Les groupes d'Ulrich Schwarz et de Karl Rohr, responsable du Biomedical Computer Vision Group au BioQuant Center de l'Université de Heidelberg, ont utilisé à cette fin des méthodes de traitement d'image de pointe. Ils ont pu suivre les parasites individuels dans les tourbillons en rotation et mesurer à la fois leur vitesse et leur courbure.

À l'aide de simulations informatiques dites à base d'agents, il a été possible d'identifier précisément les lois qui peuvent expliquer tous les aspects des observations expérimentales. L'interaction du mouvement actif, de la forme courbe de la cellule et de la chiralité en conjonction avec la flexibilité mécanique suffit à expliquer les phénomènes de tri et d'oscillation dans les tourbillons parasites. Les oscillations observées par les scientifiques surviennent parce que le mouvement des agents pathogènes individuels est converti en énergie élastique qui est stockée dans le vortex. "Notre nouveau système de modèles offre la possibilité de mieux comprendre la physique des collectifs aux propriétés élastiques et peut-être de les rendre utilisables pour des applications techniques à l'avenir", déclare le physicien Ulrich Schwarz.

Dans la prochaine étape, les chercheurs étudieront exactement comment la chiralité du mouvement se produit. La structure des sporozoïtes suggère différentes possibilités qui peuvent être étudiées dans des expériences avec des mutations génétiques. Les premières simulations informatiques ont déjà montré que les parasites tournant à droite et à gauche se séparent rapidement et génèrent des systèmes de vortex séparés. Une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents pourrait ouvrir de nouvelles voies pour perturber le mouvement des sporozoïtes au début de chaque infection palustre. "En tout état de cause, notre étude a montré que la mécanique des agents pathogènes joue un rôle extrêmement important et jusqu'ici négligé, une découverte qui ouvre également de nouvelles perspectives pour les interventions médicales", déclare Frischknecht.

Les travaux de recherche ont été menés dans le cadre du Centre de Recherche Collaborative 1129, "Analyse Intégrative de la Réplication et de la Propagation des Pathogènes", basé à la Faculté de Médecine Heidelberg de l'Université de Heidelberg. Les résultats de l'étude interdisciplinaire ont été publiés dans la revue Nature Physics . + Explorer plus loin

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