Comme tant d’organismes sur la planète, lorsque les cellules subissent un encombrement au niveau de la fosse mosh, elles peuvent simplement devenir stressées. Pourtant, contrairement à la plupart des autres formes de vie, les cellules soumises au stress physique dû au surpeuplement des voisins peuvent trouver un certain soulagement en ralentissant considérablement leur propre croissance – ; et ce faisant, ils forment un motif accrocheur de cercles concentriques avec une conséquence spectaculaire.
Ce processus, découvert grâce à des simulations et à la modélisation de colonies bactériennes en division, est décrit dans un nouveau Lettres d'examen physique étude publiée le 10 octobre. Les résultats pourraient suggérer de nouvelles façons de ralentir la croissance de micro-organismes nuisibles lors des infections ou de la fabrication, déclare l'auteur principal de l'étude, Scott Weady, chercheur au Center for Computational Biology du Flatiron Institute à New York.
J’ai été vraiment surpris de voir que les cellules soumises à ce type de stress mécanique pouvaient ainsi atténuer leur croissance. Il est intéressant de noter qu'ils forment ces cercles concentriques où chaque anneau montre à quel point ils ont été étouffés par leurs voisins, ce qui a finalement un impact sur leur taille. C'est un modèle robuste qui découle d'une règle très simple, et c'est juste quelque chose que personne n'avait vraiment pensé à mesurer auparavant. »
Scott Weady, chercheur, Centre de biologie computationnelle, Flatiron Institute
Weady a co-écrit l'étude avec ses collègues chercheurs du Flatiron Institute, Bryce Palmer, Adam Lamson, Reza Farhadifar et Michael Shelley, ainsi qu'avec Taeyoon Kim de l'Université Purdue.
Une plongée profonde dans les cellules en division
Le groupe de Weady s'intéresse à la modélisation biophysique – ; ou, comme il le dit, comment les règles à petite échelle régissent les comportements à grande échelle. Dans ce cas, son équipe souhaitait étudier la prolifération cellulaire, le processus par lequel les cellules se divisent pour produire davantage de copies d’elles-mêmes.
Le groupe a commencé par une approche exploratoire, en examinant des simulations de colonies bactériennes en croissance. Au début, ils envisageaient des mesures plus générales comme la régulation de la taille des cellules, mais ont ensuite commencé à remarquer une tendance.
En règle générale, le processus de prolifération cellulaire est exponentiel : une cellule se divise en deux, et sa progéniture se divise en deux, et ainsi de suite, pour continuer à croître à un rythme croissant. Dans leurs simulations, cependant, l'équipe a remarqué que les cellules ne se divisaient pas comme on pouvait s'y attendre – ; en fait, leur taux de prolifération a considérablement ralenti à mesure que leur environnement devenait plus peuplé.
« Vous commencez avec une seule cellule, qui ressent peu ou pas de stress. Ensuite, elle se divise, et ces cellules se divisent, et les cellules les plus proches du centre deviennent de plus en plus stressées parce qu'il y a plus de pression sur elles, ce qui les amène à ralentir leur activité. croissance », déclare Weady. « Et ainsi, à mesure que vous vous déplacez vers le bord du cercle, vous obtenez ces bandes de sensibilité au stress non uniforme qui se manifestent sous forme de cercles concentriques. »
Ces premiers travaux s'appuient sur des simulations de particules, qui illustrent comment se déroule le processus de prolifération dans un nombre relativement restreint de cellules. Sur la base de ces données, l'équipe a ensuite développé ce qu'on appelle un modèle de continuum, qui estime comment le processus pourrait fonctionner dans un très grand nombre de cellules.
« Avec les simulations de particules, vous observez quelque chose de discret : dans ce cas, des bactéries que vous suivez au fil du temps », explique Weady. « Mais le modèle du continuum fonctionne différemment, en supposant que le nombre de particules est très grand, de sorte que vous puissiez le représenter comme un matériau continu. Cela nous aide à mieux étudier le processus à plus grande échelle et à comprendre sa robustesse. »
Fait intéressant, l’équipe a constaté que leur modèle de continuum correspondait très bien à ce qu’ils avaient vu dans les simulations de particules, ce qui suggère que leur intuition était vraie : les cellules coincées dans un coin ralentiront leur propre croissance, créant ainsi un motif saisissant.
Maîtriser la croissance cellulaire
Il est intéressant d'étudier la prolifération cellulaire car il s'agit d'un processus fondamental, mais aussi parce que lorsque les cellules en prolifération sont nocives (pensez à une infection bactérienne), elles peuvent provoquer des effets néfastes.
« Il est important de comprendre comment le processus est naturellement régulé et comment le contrôler », explique Weady. « Notre modèle identifie les facteurs environnementaux qui peuvent améliorer la réponse d'une cellule au stress mécanique, et la promotion de ces facteurs pourrait ralentir la croissance exponentielle. »
Le modèle développé dans cette étude pourrait également servir de base pour étudier d’autres comportements cellulaires.
« Je pense que le modèle est un outil utile pour les personnes qui souhaitent étudier les perturbations de la façon dont les cellules réagissent, que ce soit par le stress, l'accès aux nutriments ou autre chose », explique Weady. « Il est très clair comment poser ces questions avec un modèle comme celui-ci, donc je trouve cela passionnant en ce qui concerne ce qu'il permettra de manière plus large. »
