Comme un enfant regardant à travers un kaléidoscope, un biologiste regardant à travers un microscope peut être étonné par les beaux motifs géométriques formés par les cellules.
Cependant, ces agencements de cellules ne se forment pas au hasard pour simplement ravir les spectateurs. Les chercheurs pensent que ces schémas réguliers peuvent jouer un rôle vital dans la transmission des stimuli externes et les transformer en signaux à envoyer au cerveau.
Le mystère qui demeure est de savoir comment ces cellules coopèrent pour former ces modèles stables.
Cette histoire commence avec la découverte par l’Université de Kobe que différents types de cellules sensorielles et apparentées expriment différents types de molécules d’adhésion, entraînant la formation de ce motif.
Maintenant, une équipe de mathématiciens, dont Karel Svadlenka de l’Université de Kyoto, a développé un modèle mathématique qui reproduit avec succès les modèles cellulaires observés dans les épithéliums sensoriels, ou tissus corporels, sur la base des intensités des molécules d’adhésion comme paramètres d’entrée.
« Cela confirme fortement l’hypothèse selon laquelle l’adhérence différentielle ou la tension interfaciale est le principal mécanisme moteur derrière la formation de ces modèles au cours du développement des organes », explique Svadlenka.
Une nouvelle méthode numérique pour obtenir la solution du modèle capable de gérer correctement les réarrangements cellulaires complexes préserve les volumes cellulaires individuels et la connectivité cellulaire.
De plus, à certains stades de développement, la tension interfaciale joue un rôle essentiel, ainsi que l’adhésion cellule-cellule en tant que force motrice de la formation des motifs.
L’une des deux méthodes utilisées pour tester l’hypothèse impliquait des techniques d’imagerie qui ont permis à l’équipe d’identifier divers modèles cellulaires à différents stades de développement épithélial et de mesurer la concentration de molécules d’adhésion aux jonctions cellule-cellule.
Une autre méthode était un protocole qui combinait une nouvelle méthode numérique que l’équipe a développée sur la base de l’algorithme de base Esedoglu-Otto pour préserver les volumes cellulaires et un autre algorithme pour éviter la division cellulaire non naturelle.
L’utilisation de ces algorithmes a permis de résoudre une disparité entre les modèles observés expérimentalement dans l’épithélium olfactif stimulé et les résultats numériques.
« Il était surprenant de pouvoir récupérer le modèle observé expérimentalement si nous modifiions les paramètres de notre simulation », ajoute Svadlenka, « et cela a fourni l’indice que la tension interfaciale devient un mécanisme répandu aux stades de développement ultérieurs des modèles cellulaires. »
L’équipe pense que cette découverte entraînera des changements dans le point de vue des chercheurs dans ce domaine selon lesquels le mécanisme des réarrangements cellulaires était de nature beaucoup plus complexe.
« Cela nous passionne que la biologie et les mathématiques puissent et doivent travailler ensemble pour faire une découverte fondamentalement importante qui a des implications profondes pour la science fondamentale et la recherche médicale », ajoute Svadlenka.
La recherche a été publiée dans Biologie des communications.
Rhudaina Z. Mohammad et al, Un algorithme numérique pour modéliser les réarrangements cellulaires dans la morphogenèse tissulaire, Biologie des communications (2022). DOI : 10.1038/s42003-022-03174-6