Les amateurs de plage en été ne connaissent que trop bien la douloureuse réalité d’une piqûre de méduse. Mais comment fonctionnent réellement les cellules urticantes des méduses et de leurs cousines coraux et anémones de mer ? De nouvelles recherches du Stowers Institute for Medical Research dévoilent un modèle opérationnel précis pour l’organite piquant de l’anémone de mer starlette, Nematostella vectensis. L’étude, publiée en ligne dans Communication Nature le 17 juin 2022, était dirigée par Ahmet Karabulut, chercheur prédoctoral dans le laboratoire de Matt Gibson, Ph.D. Leur travail a impliqué l’application de technologies d’imagerie microscopique de pointe ainsi que le développement d’un modèle biophysique pour permettre une compréhension globale d’un mécanisme qui est resté insaisissable pendant plus d’un siècle. Les enseignements tirés de ces travaux pourraient déboucher sur des applications bénéfiques en médecine, notamment le développement de dispositifs d’administration thérapeutique microscopiques pour les humains.
Le nouveau modèle de l’équipe Stowers pour la fonction des cellules piquantes fournit des informations cruciales sur l’architecture extraordinairement complexe et le mécanisme de déclenchement des nématocystes, le nom technique des organites piquants des cnidaires. Karabulut et Gibson, en collaboration avec des scientifiques des centres de technologie de l’Institut Stowers, ont utilisé des approches avancées d’imagerie, de microscopie électronique tridimensionnelle et d’inactivation de gènes pour découvrir que l’énergie cinétique nécessaire pour percer et empoisonner une cible impliquait à la fois la pression osmotique et l’énergie élastique stockée. dans plusieurs sous-structures de nématocystes.
Des images en série de microscopie électronique ont été utilisées pour créer une reconstruction 3D de l’organite urticant de l’anémone de mer. Crédit : Gibson Lab, Institut Stowers pour la recherche médicale.
« Nous avons utilisé la microscopie à fluorescence, des techniques d’imagerie avancées et la microscopie électronique 3D combinées à des perturbations génétiques pour comprendre la structure et le mécanisme de fonctionnement des nématocystes », a déclaré Karabulut.
À l’aide de ces méthodes de pointe, les chercheurs ont caractérisé la décharge explosive et la transformation biomécanique des nématocystes de N. vectensis lors du tir, regroupant ce processus en trois phases distinctes. La première phase est la décharge initiale en forme de projectile et la pénétration ciblée d’un fil densément enroulé à partir de la capsule du nématocyste. Ce processus est entraîné par un changement de pression osmotique dû à l’afflux soudain d’eau et à l’étirement élastique de la capsule. La deuxième phase marque la décharge et l’allongement de la sous-structure de la tige du fil qui est encore propulsée par la libération d’énergie élastique à travers un processus appelé éversion – le mécanisme par lequel la tige tourne à l’envers – formant une structure en triple hélice pour entourer un tubule interne fragile décoré avec des barbes contenant un cocktail de toxines. Dans la troisième phase, le tubule commence alors son propre processus d’éversion pour s’allonger dans les tissus mous de la cible, libérant des neurotoxines en cours de route.
« Comprendre ce mécanisme de piqûre complexe peut avoir de futures applications potentielles pour les humains », a déclaré Gibson. « Cela pourrait conduire au développement de nouvelles méthodes d’administration thérapeutique ou ciblée de médicaments ainsi qu’à la conception de dispositifs microscopiques. »
Pendant l’alimentation, les tentacules de l’anémone de mer capturent les crevettes de saumure. Crédit : Gibson Lab, Institut Stowers pour la recherche médicale.
L’ensemble de l’opération de piqûre est achevé en quelques millièmes de seconde seulement, ce qui en fait l’un des processus biologiques les plus rapides se produisant dans la nature. « La première phase du déclenchement du nématocyste est extrêmement rapide et difficile à capturer en détail », a déclaré Karabulut.
Comme c’est souvent le cas dans la recherche biologique fondamentale, la découverte initiale était un accident de curiosité. Karabulut a incorporé un colorant fluorescent dans une anémone de mer pour voir à quoi elle ressemblait lorsque les tentacules riches en nématocystes ont été déclenchées. Après avoir appliqué une combinaison de solutions pour à la fois activer la décharge des nématocystes et préserver simultanément leurs sous-structures délicates dans le temps et dans l’espace, il a été choqué d’avoir capturé par hasard plusieurs nématocystes à différents stades de tir.
« Sous le microscope, j’ai vu un instantané époustouflant de décharges de fils sur un tentacule. C’était comme un feu d’artifice. J’ai réalisé que les nématocystes déchargeaient partiellement leurs fils tandis que le réactif que j’utilisais simultanément et fixait instantanément les échantillons », a déclaré Karabulut.
« J’ai pu capturer des images qui montraient les transformations géométriques du fil lors de la cuisson dans un processus magnifiquement orchestré », a déclaré Karabulut. « Après un examen plus approfondi, nous avons pu comprendre pleinement les transformations géométriques du fil du nématocyste au cours de son fonctionnement. »
L’élucidation de la chorégraphie élaborée du déclenchement des nématocystes dans une anémone de mer a des implications intéressantes pour la conception de dispositifs microscopiques techniques, et cet effort de collaboration entre le Gibson Lab et les centres technologiques de l’Institut Stowers pourrait avoir de futures applications pour l’administration de médicaments chez l’homme au niveau cellulaire. .
Les coauteurs incluent Melainia McClain, Boris Rubinstein, Ph.D., Keith Z. Sabin, Ph.D., et Sean McKinney, Ph.D.
Ahmet Karabulut et al, L’architecture et le mécanisme de fonctionnement d’un organite piquant cnidaire, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-31090-0