Comme nous, les cellules communiquent. Eh bien, à leur manière. Utilisant les ondes comme langage commun, les cellules se disent où et quand se déplacer. Ils parlent, ils partagent des informations et ils travaillent ensemble – un peu comme l’équipe interdisciplinaire de chercheurs de l’Institut autrichien des sciences et technologies (ISTA) et de l’Université nationale de Singapour (NUS). Ils ont mené des recherches sur la façon dont les cellules communiquent – et comment cela compte pour les projets futurs, par exemple l’application à la cicatrisation des plaies.
Qu’est-ce qui vous vient à l’esprit quand vous pensez à la biologie ? Animaux, plantes, modèles informatiques théoriques ? Le dernier, vous ne l’associerez peut-être pas tout de suite, même s’il s’agit d’une partie importante de la recherche biologique. Ce sont précisément ces calculs qui permettent de comprendre des phénomènes biologiques complexes, jusque dans les détails les plus cachés. Le professeur Edouard Hannezo de l’ISTA les applique pour comprendre les principes physiques des systèmes biologiques. Les derniers travaux de son groupe donnent de nouvelles perspectives sur la façon dont les cellules se déplacent et communiquent à l’intérieur des tissus vivants.
Au cours de son doctorat, Daniel Boocock, avec Hannezo et son collaborateur de longue date Tsuyoshi Hirashima de l’Université nationale de Singapour, a développé un nouveau modèle théorique détaillé, qui est publié aujourd’hui dans la revue PRX Vie. Il permet une meilleure compréhension de la communication cellule-cellule à longue distance et décrit à la fois les forces mécaniques complexes que les cellules s’appliquent les unes aux autres et leur activité biochimique.
Sommaire
Les cellules communiquent par ondes
Disons que vous avez une boîte de Pétri recouverte de cellules ; une monocouche. Ils semblent simplement assis là. Mais la vérité est qu’ils bougent, qu’ils tourbillonnent et qu’ils adoptent spontanément des comportements chaotiques. »
Edouard Hannezo, Professeur ISTA
Semblable à une foule dense lors d’un concert, si une cellule tire d’un côté, une autre cellule détecte l’action et peut réagir soit en allant dans la même direction, soit en tirant dans le sens opposé. L’information peut alors se propager et voyager par ondes, des ondes visibles au microscope.
« Les cellules ne ressentent pas seulement les forces mécaniques, mais aussi leur environnement chimique ; les forces et les signaux biochimiques que les cellules exercent les unes sur les autres », poursuit Hannezo. « Leur communication est une interaction d’activité biochimique, de comportement physique et de mouvement; cependant, l’étendue de chaque mode de communication et la façon dont ces interactions mécanochimiques fonctionnent dans les tissus vivants étaient insaisissables jusqu’à présent. »
Prédire les modèles de mouvement
Poussé par les visuels des vagues, l’objectif des scientifiques était d’établir un modèle de suivi théorique qui validerait leur théorie précédente sur la façon dont les cellules se déplacent d’une région à l’autre. Daniel Boocock explique : « Dans nos travaux antérieurs, nous voulions découvrir l’origine biophysique des ondes et savoir si elles jouent un rôle dans l’organisation de la migration cellulaire collective. Cependant, nous n’avions pas considéré la transition liquide-solide du tissu, le bruit inhérente au système, ou la structure détaillée des ondes en 2D. »
Leur dernier modèle informatique prête attention à la motilité cellulaire et aux propriétés matérielles du tissu. Avec lui, Boocock et Hannezo ont découvert comment les cellules communiquent mécaniquement et chimiquement et comment elles se déplacent. Ils ont pu reproduire les phénomènes observés dans les boîtes de Pétri, vérifiant une explication théorique de la communication cellulaire basée sur des lois physiques.
Tester la théorie
Pour la preuve expérimentale, Boocock et Hannezo ont collaboré avec le biophysicien Tsuyoshi Hirashima. Pour tester rigoureusement si le nouveau modèle est applicable à de vrais systèmes biologiques, les scientifiques ont utilisé des monocouches 2D de cellules MDCK ; des cellules rénales de mammifères spécifiques ; qui sont un modèle in vitro classique pour une telle recherche.
« Si nous avons inhibé une voie de signalisation chimique qui permet aux cellules de détecter et de générer des forces, les cellules ont cessé de bouger et aucune onde de communication ne s’est propagée », explique Hannezo. « Avec notre théorie, nous pouvons facilement modifier différents composants du système complexe et déterminer comment la dynamique du tissu s’adapte. »
Et après?
Le tissu cellulaire ressemble à certains égards aux cristaux liquides : il coule comme un liquide mais est disposé comme un cristal. Boocock ajoute: « En particulier, le comportement de type cristal liquide des tissus biologiques n’a été étudié qu’indépendamment des ondes mécanochimiques. » Une extension aux tissus 3D ou aux monocouches de formes complexes, tout comme dans les organismes vivants, est une voie d’investigation future possible.
Les chercheurs ont également commencé à optimiser le modèle en ce qui concerne la cicatrisation des plaies. Là où les paramètres améliorent le flux d’informations, la guérison a été accélérée dans les simulations informatiques. Hannezo ajoute avec enthousiasme : « Ce qui est vraiment intéressant, c’est à quel point notre modèle fonctionnerait pour la cicatrisation des plaies dans les cellules des organismes vivants. »
