Le désordre donne de la robustesse au développement embryonnaire d’une petite crevette

Considérez le crustacé Parhyale hawaiensis, un petit crustacé avec des attributs intéressants.

« On l’a appelé un » couteau suisse vivant «  », a déclaré Dillon Cislo, l’auteur principal d’une étude parue dans Physique naturelle. « Il a de nombreux appendices différents et chacun est spécifiable de manière unique par sa taille et sa forme. De plus, chacun de ces membres a une fonction très spécifique. »

Leurs corps fascinants et leurs conditions de croissance accessibles font de ces créatures un organisme modèle bien choisi pour les études de développement. Mais plus que cela, selon les chercheurs de Cislo et de l’UC Santa Barbara, Mark Bowick et Sebastian Streichan, leurs embryons sont une fenêtre sur le monde de la morphogenèse tissulaire, un domaine qui cherche à comprendre comment une masse de cellules embryonnaires devient les parties complexes du corps d’un organisme adulte.

En tant que « développeur direct » ou organisme qui construit sa forme adulte – bien qu’en miniature – au lieu d’avoir une forme larvaire distincte et de subir une métamorphose, ce crustacé est à surveiller.

« Vous passez de cet ensemble de cellules ordonnées au hasard à tous ces appendices fous et hautement articulés dans la structure adulte », a déclaré Cislo, chercheur postdoctoral à l’Université Rockefeller qui a mené des recherches pour cet article en tant qu’étudiant diplômé à l’UCSB sous le sous la direction des physiciens théoriciens Bowick, Boris Schraiman, ainsi que Streichan, spécialiste de la physique de la matière vivante.

Jusqu’à récemment, la plupart des observations d’embryogenèse impliquaient de prendre plusieurs embryons d’un organisme modèle, par exemple une mouche des fruits, à différents stades de développement et de les « fixer » afin de les figer dans le temps. À partir de là, les scientifiques peuvent faire des calculs et des inférences quant à la séquence d’événements qui entrent dans le développement de leur corps. Mais ce qui a été moins facile à observer, c’est comment les jeunes cellules trouvent leur place et leur position.

Découvrir comment tout cela fonctionne ensemble est un sujet brûlant en biologie. Mais elle relève aussi de la physique de la matière active, domaine qui s’intéresse au comportement collectif de systèmes de multiples « agents » indépendants consommant localement de l’énergie. Les exemples de matière active sont divers, des murmures d’étourneaux aux colonies bactériennes en passant par les foules de personnes. La matière active peut également englober des situations non biologiques où les composants de l’unité sont hors d’équilibre, comme les essaims de robots.

Ordre du désordre

Lorsque les cellules embryonnaires se divisent, elles le font dans des directions opposées le long d’un axe, puis ces cellules filles se divisent dans des directions opposées le long de leurs axes, et ainsi de suite, bien qu’il n’y ait aucune raison pour que l’axe de division d’une fille doive dépendre de l’axe de division. du parent. Ce qui semble compliquer les choses pour les tissus dont les structures et les fonctions dépendent de l’organisation et de l’orientation de leurs cellules unitaires.

Pour voir comment les cellules de P. hawaiensis s’attaquent au trouble que pourrait présenter leur prolifération, les chercheurs ont suivi le développement d’un embryon, trois jours après la fécondation.

« Cela ressemble à une fine couche de cellules au-dessus d’un jaune sphérique », a déclaré Cislo. Pour mieux observer le processus, ils ont aplati par ordinateur cet ensemble incurvé de cellules dans un plan « d’une manière qui respecte la géométrie tridimensionnelle de la configuration physique réelle », explique l’article, et ont suivi ces cellules au fur et à mesure qu’elles se divisaient et se déplaçaient, dans la toute première analyse dynamique de ce stade particulier du développement précoce de P. hawaiensis.

Douze heures après le début de l’observation, la population croissante de cellules avait non seulement légèrement plus que doublé, elles s’étaient disposées en une grille, dont les rangées correspondraient aux segments du corps adulte. De là, la monocouche de cellules, qui correspond à peu près à la zone du ventre du crustacé, subit des vagues de division cellulaire, partant de la ligne médiane et s’étendant latéralement, se divisant le long de l’axe de la tête à la queue de l’animal-à -être.

Les divisions n’étaient pas aléatoires, a déclaré Cislo. Autrement dit, plutôt que de simplement devenir une plus grande masse de cellules apparemment désordonnées, ces cellules se diviseraient, puis certaines filles se réorienteraient jusqu’à 90 degrés avant de se diviser à nouveau afin de maintenir leur alignement avec l’axe tête-queue.

« Alors qu’il subit sa chorégraphie de division, vous commencez à voir de nouvelles rangées insérées entre les rangées, écartant les rangées du dessus et du dessous », a-t-il déclaré. « Et c’est très sauvage, car dans un système physique non vivant, c’est une opération très coûteuse en énergie. »

Dans les métaux et les cristaux, ce mécanisme de réorganisation nécessiterait que le matériau soit chauffé à des milliers de degrés pour devenir réalisable, a déclaré Cislo, « mais ici, la crevette le fait à température ambiante ». A la connaissance des chercheurs, l’axe général de la division cellulaire est très probablement lié à un signal biologique encore à découvrir.

Bien que fragile et parfois énergétiquement coûteuse, la quadruple orientation dans le cas des premiers stades de développement du crustacé est vitale, selon les chercheurs.

« Il y a quelques idées sur la façon d’interpréter ces résultats », a déclaré Streichan. « La ligne de pensée de base implique l’orientation des membres des animaux. Comme nos mains ou nos jambes, ces membres ont des orientations claires… et comme le corps se compose de plusieurs de ces membres, le bon fonctionnement du corps nécessite une coordination des orientations de ces membres.

« Imaginez que votre main gauche a été tournée par rapport à votre main droite, disons de 180 degrés en échangeant le dos de votre main et la paume », a-t-il ajouté. « Les tâches quotidiennes deviendraient assez difficiles. »

Faire bouger les choses

Une chose qu’il est important de se rappeler est que cette organisation existe dans un état fluide structuré, pas tout à fait un fluide et pas tout à fait un solide, a déclaré Bowick. « Du point de vue physique, la phase a la même forme qu’un superfluide », a-t-il expliqué.

Il s’avère que pour tout l’ordre généré par l’organisation en grille des cellules, le potentiel de désordre présenté par l’état fluide et les divisions cellulaires est crucial pour la flexibilité nécessaire à un système biologique, a ajouté Bowick. « Les cellules ne se contentent pas de se diviser, elles exercent clairement des forces les unes sur les autres », a-t-il déclaré.

Les chercheurs ont découvert que les cellules, chacune avec son propre petit moteur et sa propre « horloge » pour la division autonome, créaient une certaine quantité de « bruit » – variations et fluctuations – tout au long du stade précoce de la prolifération cellulaire et dans un stade ultérieur où les cellules continuaient à se développer. se diviser mais le tissu lui-même s’allongeait également.

Ce bruit peut à première vue sembler contre-productif pour former un corps complexe avec autant d’appendices différents, mais, selon les chercheurs, le bruit lui-même est nécessaire pour un processus robuste. Utilisant sa quadruple orientation, le système occupe une « zone Boucle d’or » entre l’ordre et le désordre : suffisamment d’ordre pour commencer à construire la créature, mais toujours suffisamment ouvert pour absorber de légères divergences dans le processus.

Grâce à une série de simulations, ils ont découvert que malgré des variations dans le temps, ou dans la concentration des divisions (dans une certaine mesure), ou la présence de cellules qui ne se réorientaient pas pendant la prolifération, il était toujours possible d’arriver finalement au même résultat final.

« La conclusion est que la biologie n’a pas vraiment besoin de contrôler les choses très étroitement pour obtenir le résultat souhaité », a déclaré Cislo, une découverte que seule une analyse dynamique pourrait générer.

Bowick est d’accord. « Imaginez que vous souhaitiez qu’un système atteigne un état ordonné ; si vous êtes complètement statique, vous ne le trouverez jamais », a-t-il déclaré. « Mais si vous secouez le système, vous pourriez lui permettre de s’installer enfin dans un bel état ordonné. Et ce qui semble se passer ici, c’est que les divisions cellulaires secouent le système, lui permettant de s’installer enfin dans un état ordonné subtil. État. »

Cette étude offre un aperçu fascinant d’une facette rarement vue de la biologie du développement, celle qui fonctionne selon un principe d’organisation géométrique, comme en témoigne sa quadruple orientation.

« La mouche des fruits, qui est l’atome d’hydrogène de la biologie du développement, organise les segments de son plan corporel via une cascade de signaux biochimiques », a expliqué Cislo. « C’est quelque chose de totalement différent. »

« Ce qui est cool dans le travail de Dillon, c’est que l’ordre d’orientation se trouve au niveau de la position de la cellule, marquant un état ordonné mécaniquement observable », a déclaré Streichan. Contrairement au développement d’autres animaux dont les cellules embryonnaires reposent sur des signaux chimiques pour l’orientation, chez P. hawaiensis, la structuration de la grille est un événement mécanique qui s’étend sur deux régions, une proche et une plus éloignée de la tête, permettant aux deux régions de s’accorder. sur les positions de leurs cellules. La grille garantit également les emplacements et les orientations des cellules qui deviennent les membres avant même qu’ils ne se développent.

À bien des égards, le projet de Dillon a fourni un autre exemple que la biologie trouve des moyens de tirer parti de la physique à ses fins », a déclaré Streichan.

« Il pourrait également y avoir des leçons pour la science des matériaux », a ajouté Bowick. « Si vous voulez construire des matériaux intéressants, vous voudrez peut-être prendre des leçons de biologie et conduire certains de ces systèmes de matériaux hors d’équilibre, et créer de merveilleuses structures de cette façon. »