Travailler avec la lumière pour activer des processus au sein de cellules de levure à fission génétiquement modifiées fait partie des recherches menées par les biologistes expérimentaux du Martin Lab de l’Université de Lausanne, dirigés par Sophie Martin, professeure. Les membres de l’équipe menaient de telles expériences lorsqu’ils ont remarqué qu’une certaine protéine, lorsqu’elle était introduite dans la cellule, serait déplacée de la région de croissance cellulaire. Ils ont donc contacté Dimitrios Vavylonis, qui dirige le groupe Vavylonis au département de physique de l’Université Lehigh, pour savoir pourquoi.
Nous avons procédé à une simulation informatique qui a couplé la « croissance » de la membrane cellulaire au mouvement des protéines, ainsi qu’à modéliser quelques autres hypothèses que nous avons envisagées après des discussions avec eux. »
Dimitrios Vavylonis, physicien théoricien
Cette collaboration multidisciplinaire a combiné modélisation et expérimentation pour décrire un processus biologique jusque-là inconnu. Les équipes ont découvert et caractérisé un nouveau mécanisme qu’une simple cellule de levure utilise pour acquérir sa forme. Ils décrivent ces résultats dans un article intitulé « Cell patterning by sécrétion-induite plasma membrane flow » dans le dernier numéro de Avancées scientifiques (DOI : 10.1126/sciadv.abg6718).
Lorsque les cellules se déplacent ou se développent, elles doivent ajouter une nouvelle membrane à ces régions de croissance, explique Vavylonis. Le processus d’administration membranaire est appelé exocytose. Les cellules doivent également livrer cette membrane à un emplacement spécifique afin de maintenir un sens de la direction appelé « polarisation » ou se développer de manière coordonnée.
« Nous avons démontré que ces processus sont couplés : un excès local d’exocytose provoque l’éloignement (« flux ») de certaines des protéines attachées à la membrane de la région de croissance », explique Vavylonis. « Ces protéines qui s’éloignent marquent la région cellulaire qui ne se développe pas, établissant ainsi un modèle auto-entretenu, qui donne naissance à la forme tubulaire de ces cellules de levure. »
C’est la première fois que ce mécanisme de structuration cellulaire – le processus par lequel les cellules acquièrent des non-uniformités spatiales sur leurs surfaces – est identifié.
Les simulations de l’équipe Vavylonis, dirigées par l’associé postdoctoral David Rutkowski, ont conduit à des tests expérimentaux que le groupe Martin a ensuite effectués. Vavylonis et Rutkowski ont analysé les résultats des expériences pour confirmer que la distribution des protéines qu’ils ont remarquées dans leurs simulations correspondait aux données glanées lors des expériences sur des cellules vivantes.
L’équipe affirme que le travail pourrait être d’un intérêt particulier pour les chercheurs qui étudient les processus liés à la croissance cellulaire et au trafic membranaire, tels que les neurobiologistes et ceux qui étudient les processus des cellules cancéreuses.
« Notre travail montre que les modèles dans les systèmes biologiques ne sont généralement pas statiques », explique Rutkowski. « Les modèles s’établissent à travers des processus physiques impliquant un flux et un renouvellement continus. »
« Nous avons pu fournir un support pour le modèle de structuration par flux membranaire », a déclaré Vavylonis. « En fin de compte, le groupe Martin a pu utiliser ces connaissances pour concevoir des cellules dont la forme peut être contrôlée par la lumière. »
