Le flux cytoplasmique est le mouvement à grande échelle du cytoplasme (c’est-à-dire du liquide gélatineux à l’intérieur des cellules) à l’intérieur d’une cellule vivante. Ce flux, connu pour réguler divers processus intracellulaires, peut varier considérablement entre différents types de cellules à différents stades du développement cellulaire. L’examen et la modélisation des différents types de flux cytoplasmiques peuvent nous aider à comprendre comment ils émergent dans des types spécifiques de cellules.
Des études antérieures ont principalement examiné les flux cytoplasmiques continus dans les grandes cellules où, comme on le prétend souvent, la diffusion est trop lente pour permettre les processus biologiques nécessaires à l’exécution des organismes (par exemple, le développement d’un œuf ou d’un embryon, ou dans de grandes cellules végétales).
Grâce à cette diffusion lente, le flux permet une distribution plus rapide des composants cellulaires. Dans les premiers ovocytes de mouche (c’est-à-dire les ovules en développement), par exemple, le flux cytoplasmique semble aléatoire, tandis qu’aux stades ultérieurs du développement, où l’ovocyte est plus gros, ils peuvent apparaître à grande échelle et en rotation.
Des chercheurs du Flatiron Institute, s’appuyant sur des travaux antérieurs, ont récemment introduit une stratégie de modélisation polyvalente qui peut être utilisée pour étudier le flux cytoplasmique auto-organisé dans des systèmes constitués de fibres déformables couplées hydrodynamiquement.
Ce modèle, introduit dans Physique naturelle et en collaboration avec des scientifiques des universités de Princeton et de Northwestern, a été combiné avec des données collectées lors d’expériences sur l’ovocyte de drosophile (c’est-à-dire la mouche des fruits) pour recueillir des informations sur le flux cytoplasmique auto-organisé.
« Je travaille depuis un certain temps dans les domaines généraux de la matière biologiquement active, de la mécanique intracellulaire et des fluides complexes », a déclaré Michael J. Shelley, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Le problème abordé dans notre récent article combine tous ces domaines, dont chacun me plaît beaucoup.
« J’ai entendu parler de ce problème particulier des flux dans les ovocytes grâce à mon ami Ray Goldstein et j’ai réalisé que des travaux antérieurs avec mon collègue de Flatiron, David Stein, pourraient être adaptés pour comprendre quelque chose sur le problème des ovocytes. Ce fut le cas, et David et moi avons travaillé avec Ray et ses collègues de Cambridge sur un premier modèle 2D très épuré. » Cet ouvrage a été publié dans Lettres d’examen physique en 2021.
Les chercheurs du Flatiron Institute avaient précédemment développé divers outils pour étudier l’hydrodynamique des microtubules en mouvement, des biopolymères rigides qui constituent un élément central du cytosquelette cellulaire. Shelley, Stein et leurs collègues Reza Farhadifar, Sayantan Dutta et Stas Shvartsman prévoyaient d’utiliser ces outils numériques pour étudier l’apparition de flux cytoplasmiques auto-organisés dans des cellules 3D.
« L’objectif principal de notre récente étude était de fournir un modèle minimal, mais pas trop minimal, invoquant uniquement les microtubules, les moteurs moléculaires et le cytoplasme, qui pourrait expliquer les observations expérimentales et aider à faire des prédictions », a expliqué Shelley.
L’étude récente réalisée par Shelley et ses collègues combine les théories physiques et mathématiques avec des résultats expérimentaux. Les chercheurs ont commencé par créer un modèle qu’ils pourraient ensuite utiliser pour simuler le flux cytoplasmique auto-organisé dans l’ovocyte de drosophile.
« Nous avons écrit un modèle mathématique pour les contraintes que les moteurs moléculaires créent en se déplaçant sur un microtubule », a déclaré Shelley. « Ce modèle devrait permettre au microtubule de se plier sous des charges et, pour sa courbure, de déplacer le cytoplasme, ce qui affecte la courbure des autres microtubules. Ensuite, nous avons utilisé un logiciel de haute qualité, appelé ici SkellySim, qui vous permet de simuler quelques milliers de ces microtubules interagissent en poussant collectivement le fluide à mesure qu’ils se plient collectivement.
Evolution temporelle de configurations de microtubules ancrés à la surface intérieure d’une sphère en vue écorchée pour une simulation paramétrée p¯=15 et σ¯=45 (cas II). L’horodatage montre le temps normalisé au temps de relaxation d’un seul microtubule. Crédit: Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-023-02372-1
Après avoir développé leur modèle et exécuté des simulations, Shelley et ses collègues ont mené des expériences sur des ovocytes de drosophile. Tout d’abord, ils ont utilisé la microscopie optique pour examiner les mouvements cytoplasmiques dans les ovocytes en développement, puis ont analysé les données collectées à l’aide de la vélocimétrie par imagerie de particules pour reconstruire les champs de vitesse cytoplasmiques.
« Notre article fournit un exemple clair de la façon dont, avec très peu d’ingrédients, un système de transport à grande échelle (c’est-à-dire le flux continu) pourrait émerger dans la cellule à partir des interactions de quelques composants seulement (c’est-à-dire les microtubules, les moteurs). et cytoplasme) », a déclaré Shelley. « La beauté réside dans sa robustesse, car dans une grande partie de l’espace des paramètres contrôlant le modèle, le système veut simplement former une tornade. C’est, je pense, un excellent exemple d’auto-organisation biologique pour accomplir une tâche. »
Notamment, grâce à leur modèle, les chercheurs ont également pu prédire l’effet de la forme des cellules sur l’orientation des tornades. Leurs prédictions suggèrent que même si la dynamique du flux cytoplasmique dans les ovocytes de drosophile pourrait être incroyablement complexe, elles aboutissent finalement à un état final simple (c’est-à-dire une tornade).
Les découvertes recueillies par Shelley et ses collaborateurs pourraient bientôt ouvrir la voie à de nouvelles explorations du flux cytoplasmique, en se concentrant spécifiquement sur cet état simple de torsion. Cela pourrait conduire à de nouvelles découvertes intéressantes sur la physique qui sous-tend les processus vitaux dans les cellules biologiques.
« Ce travail a démontré la puissance que le calcul haute performance et les algorithmes modernes peuvent apporter à la compréhension des phénomènes biophysiques », a ajouté Shelley. « Dans nos prochaines études, nous prévoyons d’explorer comment ces flux twisters mélangent les composants à travers la cellule ou permettent leur acheminement d’un point à un autre.
« Il existe d’autres systèmes de transport au sein des ovocytes, comme les canaux annulaires, qui sont très intéressants. Je m’intéresse généralement aux multiples façons dont le cytosquelette cellulaire s’organise pour accomplir les tâches cellulaires. »
Plus d’information:
Sayantan Dutta et al, Twisters intracellulaires auto-organisés, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-023-02372-1
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