Comment se développent les embryons ? Pourquoi le cortex du cerveau des mammifères se plie-t-il ? Comment ressentons-nous le toucher au bout de nos doigts ? Ces questions biologiques fondamentales, ainsi que d’autres, restent non résolues. Pourtant, les scientifiques savent qu’ils s’appuient tous sur un principe commun : la conversion d’un stimulus physique en signal biochimique.
Le domaine de la mécanobiologie a récemment acquis de nouvelles connaissances sur les signaux physiques qui se propagent à travers les cellules et sur leur distance. Une découverte clé est que les propriétés rhéologiques de la membrane cellulaire (la façon dont elle se déforme et s'écoule sous contrainte) jouent un rôle clé dans une telle propagation. Pourtant, de nombreux détails de ce mécanisme complexe restent flous.
Les chercheurs de l'ICFO, le Dr Frederic Català-Castro et le Dr Neus Sanfeliu-Cerdán, dirigés par le professeur de l'ICFO Michael Krieg, ainsi que le groupe du professeur Padmini Rangamani de l'Université de Californie à San Diego, ont désormais éclairé davantage la manière dont les neurones transmettent les tensions et les contraintes à travers leurs membranes. Dans un Physique naturelle article, ils présentent la description la plus détaillée à ce jour des processus moléculaires qui sous-tendent ce phénomène. L'étude se concentre sur deux mécanorécepteurs différents chez l'ascaris Caenorhabditis elegans: les récepteurs du toucher, qui répondent très rapidement au contact, et les propriocepteurs, qui détectent les déformations rapides du corps lui-même lors du mouvement.
De la curiosité à un aperçu précieux
Il est intéressant de noter que cette recherche a commencé comme un projet parallèle, déclenché par des rapports contradictoires antérieurs dans la littérature.
Nos travaux antérieurs se sont concentrés sur le cytosquelette, mais nous avons commencé à nous demander si la membrane plasmique pouvait également transmettre des informations mécaniques. »
Professeur Michael Krieg, auteur principal de l'étude
Pour étudier cela, ils ont utilisé un appareil à pince optique, un outil basé sur des faisceaux laser hautement focalisés qui peuvent à la fois manipuler des objets microscopiques et mesurer des forces avec une précision extraordinaire. Dans leurs expériences, les chercheurs ont attaché deux microsphères en plastique aux axones ou neurites des neurones isolés, les ont tirés avec la pince optique et ont mesuré comment la tension générée se propageait de l'un à l'autre avec une précision exceptionnelle (à l'échelle du picoNewton et de la milliseconde).
Les résultats ont montré que la propagation de la tension est plus rapide dans les récepteurs tactiles que dans les récepteurs proprio. Plus intéressant encore, les chercheurs ont découvert que la propagation est influencée non seulement par la présence d'obstacles dans la membrane (principalement des protéines incorporées), mais également par la manière dont ces obstacles sont disposés.
La modélisation mathématique, ainsi que les données expérimentales, ont révélé que lorsque les obstacles sont alignés selon un motif régulier, ils limitent la propagation à des distances plus courtes. Selon les chercheurs, une propagation contrôlée et limitée de la tension ne constitue peut-être pas une limitation. Au lieu de cela, cela peut aider les neurones à déterminer où une force est appliquée, à distinguer différents stimuli et à générer des réponses localisées sans affecter la cellule entière. Ceci, à son tour, pourrait améliorer la capacité du neurone à traiter les sens ou produire des réponses motrices plus adaptatives. En revanche, une disposition aléatoire des obstacles permet à la tension de se propager beaucoup plus loin, aidant potentiellement les cellules à distribuer des informations mécaniques sur de plus longues distances.
La modélisation 3D mise en place dans le laboratoire de Rangamani a été cruciale pour révéler le rôle de la disposition des obstacles, puisqu'elle a permis aux chercheurs de enfin regrouper leurs multiples observations dans un cadre commun. « La variabilité des mesures, l'hétérogénéité cellulaire et la stochasticité des processus moléculaires sous-jacents ont imposé des défis importants à l'interprétation des résultats », rappelle le professeur Krieg. « Le développement du modèle 3D a tout changé. Cela nous a donné la cohérence dont nous avions besoin pour tirer des conclusions solides, transformant une idée en une idée passionnante. »
Vers une compréhension complète de la propagation de la tension membranaire
Pour l’avenir, les chercheurs envisagent d’explorer d’autres interactions de la cellule avec son environnement, dont beaucoup ont été largement ignorées, ainsi que de discerner l’identité moléculaire des obstacles et la manière dont ils sont régulés. « Il se pourrait même que la tension de la membrane plasmique régule elle-même les obstacles dans une boucle de rétroaction/transmission », spéculent-ils.
Pour l’instant, l’étude marque déjà une avancée majeure en mécanobiologie. Le Dr Eva Kreysing, experte en neurosciences du développement de l'Université de Cambridge qui n'a pas participé aux travaux, a déclaré au Physique naturelle journal : « C'est un article très opportun. Étant donné le rôle important que la tension membranaire joue dans la régulation de la fonction cellulaire, il est très important de comprendre à quel point ce paramètre est localisé ou dans quelle mesure il se propage. »
Le prochain défi sera de relier ces connaissances physiques à des mécanismes moléculaires spécifiques, comblant ainsi le fossé entre les forces mécaniques au niveau de la membrane et les décisions biologiques qu’elles entraînent.
