Les embryons prennent forme en flambant

Publié par Isabelle le 17/09/2020 à 13:00
Source: Université de Genève
Des scientifiques de l'UNIGE ont réussi à démontrer que les tissus cellulaires se déforment par flambage (ou flexion sous l'action d'une compression), phénomène qui pourrait être à l'origine de la morphogenèse de l'embryon.

L'embryon d'un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances organiques. On...) ressemble d'abord à une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une...) creuse. Apparaissent ensuite, à différents stades du développement, des invaginations qui donneront naissance aux structures de l'organisme (cerveau, tube digestif, etc). Selon une hypothèse proposée il y a plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...), le mécanisme dominant qui déclenche ce phénomène d'invagination pourrait être le flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à fléchir, et donc à se déformer dans une direction perpendiculaire à la force appliquée.), un terme qui désigne une déformation latérale d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) soumis à une compression.


Modèle expérimental d'embryon artificiel. Une centaine de cellules (rose et vert) encapsulées dans une sphère creuse (turquoise). Elles forment un épithélium en prolifération qui s'invagine spontanément. (© UNIGE/Aurélien Roux)

Cette explication a depuis longtemps remporté l'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux, dans le but de créer une résistance...) des biologistes. Mais elle n'a jamais fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) d'une preuve formelle, essentiellement à cause de la difficulté, voire de l'impossibilité de mesurer les forces minuscules en présence. Cette lacune est enfin comblée grâce à une étude parue dans la revue Developmental Cell et réalisée par une équipe multidisciplinaire de scientifiques de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom d'Académie de Genève, comme...) (UNIGE). Un tour de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) qui doit sa réussite à une longue collaboration alliant des spécialistes de l'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des...) biologique, de la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) analytique et de la simulation informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...).

"La question à la base de notre travail est de savoir comment on donne une forme à un tissus cellulaire, explique Aurélien Roux, professeur au Département de biochimie (La biochimie est la discipline scientifique qui étudie les réactions chimiques ayant lieu au sein des cellules.) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) du développement des embryons a permis de décrire plusieurs mécanismes qui sont à l'oeuvre. L'un d'eux est la constriction apicale c'est-à-dire une incurvation locale de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de l'embryon sous l'effet d'une déformation coordonnée des cellules elles-mêmes (leur "sommet" se resserre et leur "base" se détend). Mais ce mécanisme est loin d'être assez puissant pour expliquer l'apparition des invaginations importantes durant le développement du blastocyste (un des stades précoces de l'embryon)."

Il y a un siècle, des biologistes ont alors proposé que le mécanisme physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) qui permet de générer ces plis profonds est le flambage. Le phénomène est le même que lorsqu'on met une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds....) de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un...) à plat et qu'on rapproche les deux bords opposés: le milieu de la feuille se soulève. Dans le cas des embryons, la force latérale vient des cellules qui, en proliférant, exercent une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) croissante sur la surface, une surface qui est par ailleurs confinée dans une enveloppe vitelline, certes élastique mais qui empêche toute expansion spatiale.

La description du phénomène étant assez parlante et les analogies dans la nature foison, l'explication a facilement obtenu le consensus parmi la communauté des biologistes: il a longtemps été impensable de mesurer les forces en présence à la surface des embryons afin de vérifier que c'est véritablement le phénomène de flambage (qui obéit à des lois bien connues de la physique des matériaux) qui est en jeu et pas un autre mécanisme.

Approches analytique, informatique et biologique

Désirant néanmoins apporter une preuve quantitative du phénomène, les scientifiques genevois ont mené une étude de longue haleine (L'haleine est l'air qui est chassé des poumons d'un sujet au moment de l'expiration, et qui s'exhale par la bouche.). Anastasiya Trushko, chercheuse au Département de biochimie et Aurélien Roux sont parvenus à fabriquer de petites enveloppes ayant toutes les propriétés physiques de la vitelline naturelle et à faire pousser, sur la surface interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...), une monocouche formée d'une centaine de cellules. Parfaitement contrôlés dans des conditions de laboratoire, ces petits modèles, de moins d'un demi millimètre de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...), ont permis de recréer in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou...) et d'étudier à l'aide du microscope le phénomène d'invagination. Les forces en présence ont notamment pu être déterminées grâce aux petites variations de l'épaisseur de l'enveloppe de ces embryons artificiels.

Grâce à ces mesures de forces et de formes, Carles Blanch-Mercader et Karsten Kruse, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) et professeur aux Départements de biochimie et de physique théorique de l'UNIGE ont, quant à eux, pu montrer que la relation entre force et forme de ces embryons artificiels était celle attendue pour le flambage. À l'aide des équations de la physique des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), ils ont pu extraire les paramètres mécaniques macroscopiques des tissus cellulaires tel que leur rigidité.

Enfin, afin de relier ces caractéristiques macroscopiques aux processus biologiques à l'échelle cellulaire, Aziza Merzouki et Bastien Chopard, chercheuse et professeur au Département d'informatique de la Faculté des sciences de l'UNIGE ont simulé par ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler...) le développement de l'embryon en le considérant comme un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) de cellules indépendantes. "L'approche informatique offre la possibilité unique d'observer certains aspects du phénomène qui sont normalement inaccessibles, explique Bastien Chopard. On peut ainsi suivre en détail l'évolution temporelle du flambage et, surtout, comprendre comment les processus biologiques (prolifération, contractilité) mis en jeu à l'échelle de la cellule modifient les paramètres mécaniques du tissu."

Aller-retours incessants

Entre les trois chercheurs et leurs équipes, les aller-retours ont été incessants afin de déterminer les bonnes valeurs pour les nombreux paramètres qui entrent en jeu et pour que les trois approches parviennent au même résultat, à savoir au plus près de la réalité. Il a fallu 6 ans de travail d'horloger pour en arriver à bout.

"Nous avons pu démontrer, en le quantifiant de la manière la plus précise qui soit, que le flambage est un mécanisme possible pour expliquer la formation d'invagination dans les embryons, conclut Aurélien Roux. Il est probable que d'autres mécanismes, comme la constriction apicale, amorcent le phénomène de pliage et que le flambage l'accentue pour obtenir finalement le résultat escompté."

Cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le cadre...) est publiée dans Developmental Cell - DOI: 10.1016/j.devcel.2020.07.019
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