En utilisant de simples cellules artificielles, un groupe de recherche dirigé par Makito Miyazaki du Centre RIKEN pour les sciences médicales intégratives (IMS) au Japon a découvert les principes physiques fondamentaux qui régissent la façon dont les cellules vivantes changent de forme. En combinant des expériences avec des simulations informatiques et des analyses théoriques réalisées en collaboration avec l’Université Purdue, les chercheurs ont montré comment le cytosquelette d’actine d’une cellule – le réseau de fibres protéiques qui lui donne sa forme – peut générer des changements de forme à l’échelle cellulaire et une polarité avant-arrière sans compter sur une signalisation biochimique complexe. Ces résultats, publiés dans Avancées scientifiquesfournissent des informations sur les processus biologiques tels que la migration cellulaire, la division cellulaire et le développement embryonnaire, et pourraient contribuer à faire progresser le développement de cellules artificielles pour des applications allant de la découverte de médicaments et de la médecine régénérative à la biologie synthétique – la création de systèmes biologiques.
Sommaire
Un système de cellules artificielles pour étudier la morphogenèse cellulaire
Les cellules changent constamment de forme à mesure qu’elles se déplacent, se divisent et s’assemblent en tissus au cours du développement. Bien que ces changements de forme soient essentiels à la vie, la manière dont ils se produisent reste largement inconnue car les cellules vivantes contiennent des milliers de molécules qui agissent simultanément. Pour révéler les principes fondamentaux, le groupe de recherche a construit un système cellulaire artificiel utilisant des structures semblables à des liposomes qui ont une membrane mais aucun mécanisme cellulaire encapsulant des protéines cytosquelettiques purifiées, créant ainsi un modèle simplifié et précisément contrôlable d’une cellule vivante.
Ils ont combiné ce système cellulaire artificiel avec des simulations informatiques à grande échelle et des analyses théoriques pour relier les interactions moléculaires au sein du cytosquelette d’actine aux changements de forme cellulaire. Les cellules artificielles leur ont permis d’étudier comment la membrane cellulaire change de forme d’une manière impossible dans les cellules vivantes, où la complexité des processus biologiques masque souvent les mécanismes physiques sous-jacents. Ce système lui-même constitue une avancée technologique importante, fournissant un moyen minimal et quantitativement contrôlable d’étudier la morphogenèse cellulaire. Au-delà de sa valeur comme outil de recherche, il marque également une étape importante vers le développement de cellules artificielles autonomes.
La découverte
Lors de la migration cellulaire, les structures situées à l’avant d’une cellule choisissent le chemin de migration et celles situées à l’arrière poussent la cellule vers l’avant. Ces structures se développent à partir de bulles membranaires, qui sont des saillies en forme de bulles de la membrane cellulaire. En utilisant ce nouveau système, les chercheurs ont découvert que lorsque les cellules artificielles étaient physiquement manipulées d’une manière spécifique, elles développaient systématiquement une bulle membranaire unique, démontrant que la polarité avant-arrière dans une cellule peut émerger spontanément grâce aux propriétés mécaniques du cytosquelette d’actine seul. Cela signifie que l’une des caractéristiques déterminantes des cellules vivantes peut résulter de simples interactions physiques, sans nécessiter de signalisation biochimique ni d’asymétrie préexistante.
En reconstruisant la morphogenèse membranaire à partir de protéines purifiées, nous avons montré que les interactions locales au sein du cytosquelette d’actine sont suffisantes pour générer des changements à grande échelle dans la forme des cellules.
Makito Miyazaki, Centre RIKEN pour les sciences médicales intégratives
À quoi d’autre ce système de cellules artificielles peut-il être utilisé ?
Les cellules artificielles pourraient être utilisées comme modèles simplifiés pour découvrir d’autres principes fondamentaux de la vie tout en offrant une base aux technologies futures. Avec davantage de progrès, ces cellules pourraient devenir des systèmes microscopiques programmables capables de détecter leur environnement, de délivrer des molécules thérapeutiques aux tissus malades, de fabriquer des composés utiles ou même de réparer les tissus endommagés.
Aller de l’avant
« Notre objectif était de comprendre comment le comportement remarquablement complexe des cellules vivantes peut émerger d’interactions physiques simples », explique Miyazaki. « En identifiant les règles physiques qui régissent la forme des cellules, la présente étude jette les bases de nombreuses applications futures. »
Miyazaki et son équipe se concentrent désormais sur la reconstruction de comportements cellulaires de plus en plus sophistiqués, rapprochant ainsi les cellules artificielles des applications pratiques en médecine, en biotechnologie et en biologie synthétique.
