Les organismes et tissus biologiques présentent un renouvellement constant du matériel cellulaire; par exemple, pour maintenir l’intégrité des tissus, en cas de croissance tumorale ou pour la survie des communautés bactériennes. Intuitivement, les types de cellules capables de proliférer le plus rapidement ou de mourir moins fréquemment dans un environnement donné domineront l’espace confiné d’un organisme ou d’un compartiment. « Cependant, ces facteurs traditionnels ne restent pas les seuls à déterminer l’aptitude à la compétition, compte tenu également des débris laissés par les cellules mourantes », explique Ramin Golestanian, directeur général du MPI-DS. Dans leur étude, les chercheurs du département de physique de la matière vivante ont montré que les types de cellules éliminés plus rapidement après la mort ont un avantage qui peut en faire l’espèce dominante.
Les scientifiques ont créé un modèle pour simuler la croissance de cellules remplissant un espace limité jusqu’à ce que la pression mécanique s’accumule et qu’elles atteignent un état dans lequel la division et la mort cellulaire s’équilibrent. « Nous voulions savoir quel effet la matière morte a sur la croissance d’un système vivant. Pour cela, nous avons conçu un modèle simple qui est l’un des premiers à considérer explicitement les effets mécaniques des cellules mortes », a déclaré Yoav Pollack, premier auteur de l’étude, dit.
« Nous avons ensuite analysé deux types de cellules différant exclusivement par le taux d’élimination de la matière morte et suivi la proportion des deux populations au fil du temps. À notre grande joie, nous avons observé un impact clair sur la forme physique globale, conduisant à un avantage pour le type de cellule dont les cellules sont éliminées plus rapidement », explique-t-il.
Faire de la place pour de nouvelles cellules
À première vue, l’élimination de la matière morte peut sembler déconnectée de la formation de nouvelles cellules, voire contre-productive car elle ouvre l’espace pour que d’autres espèces puissent l’envahir. Mais le modèle montre qu’en éliminant les débris plus rapidement, la quantité de cellules vivantes par rapport aux cellules mortes augmente. Dans l’ensemble, cela se traduit par une croissance plus réactive lorsqu’une espèce se voit présenter des opportunités d’expansion. Bien que cela ait peu de conséquence dans une population cellulaire homogène du même type, cela fait une différence à l’interface où différents types de cellules se disputent l’espace. La population avec le taux d’élimination le plus élevé est plus susceptible d’avoir une cellule vivante à proximité disponible pour remplir l’espace libéré par la prolifération. De cette façon, la proportion plus élevée de cellules vivantes donne un avantage concurrentiel.
« En termes simplifiés, on pourrait dire qu’il est plus avantageux de vider et d’occuper un nouvel espace que de conserver un espace déjà occupé », explique le chef de groupe Philip Bittihn. « Dans certains cas, cette nouvelle contribution à la concurrence pourrait également expliquer pourquoi les tissus et organismes biologiques ont évolué pour utiliser des mécanismes spécifiques d’élimination des cellules ; ceux qui sont plus efficaces par rapport aux alternatives. »
Comme cet effet a maintenant été décrit pour la première fois, il ouvre plusieurs nouvelles pistes d’investigation, telles que l’analyse de la mesure dans laquelle il contribue à la forme physique globale par rapport à d’autres facteurs de forme physique. Pourtant, le modèle démontre que nettoyer après soi est effectivement payant pour les cellules.
La recherche a été publiée dans le Nouveau Journal de Physique.
Yoav G Pollack et al, Un avantage concurrentiel grâce à l’élimination rapide de la matière morte dans les agrégats cellulaires confinés, Nouveau Journal de Physique (2022). DOI : 10.1088/1367-2630/ac788e
Fourni par l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation