Un modèle mathématique relie l’évolution des poulets, des poissons et des grenouilles

L’une des questions fondamentales les plus persistantes de la vie est la suivante : comment cela se produit-il ? Par exemple, dans le développement humain, comment les cellules s’auto-organisent-elles en peau, en muscles ou en os ? Comment forment-ils un cerveau, un doigt, une colonne vertébrale ?

Bien que les réponses à ces questions restent inconnues, une piste de recherche scientifique réside dans la compréhension de la gastrulation, l’étape à laquelle les cellules embryonnaires se développent d’une seule couche à une structure multidimensionnelle avec un axe corporel principal. Chez l’humain, la gastrulation survient environ 14 jours après la conception.

Il n’est pas possible d’étudier les embryons humains à ce stade, c’est pourquoi des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego, de l’Université de Dundee (Royaume-Uni) et de l’Université Harvard ont pu étudier la gastrulation chez les embryons de poulet, qui présentent de nombreuses similitudes avec les embryons humains à ce stade. .

Cette recherche a été menée à travers ce que Mattia Serra, professeur adjoint de physique à l’UC San Diego, appelle une boucle idéale : une combinaison interdisciplinaire de va-et-vient de science théorique et expérimentale. Mattia est un théoricien qui s’intéresse à la découverte de modèles émergents dans des systèmes biophysiques complexes.

Ici, lui et son équipe ont construit un modèle mathématique basé sur les contributions des biologistes de l’Université de Dundee. Le modèle a pu prédire avec précision les flux de gastrulation – le mouvement de dizaines de milliers de cellules dans l’embryon de poulet entier – observés au microscope. C’est la première fois qu’un modèle mathématique auto-organisé parvient à reproduire ces flux dans des embryons de poulet.

Les biologistes ont ensuite voulu voir si le modèle pouvait non seulement reproduire ce qu’ils savaient expérimentalement être vrai, mais aussi prédire ce qui pourrait se produire dans différentes conditions. L’équipe de Serra a « perturbé » le modèle, c’est-à-dire en modifiant les conditions initiales ou les paramètres actuels.

Les résultats ont été surprenants : le modèle a généré des flux cellulaires qui n’étaient pas observés naturellement chez le poussin, mais ont été observés chez deux autres espèces de vertébrés : la grenouille et le poisson.

Pour garantir que ces résultats ne sont pas une fantaisie mathématique du modèle, des collaborateurs en biologie ont imité les perturbations exactes du modèle en laboratoire sur l’embryon de poulet. Étonnamment, ces embryons de poulet manipulés présentaient également des flux de gastrulation naturellement observés chez les poissons et les grenouilles.

Ces résultats, publiés dans Avancées scientifiquessuggèrent que les mêmes principes physiques derrière l’auto-organisation multicellulaire pourraient avoir évolué parmi les espèces de vertébrés.

« Les poissons, les grenouilles et les poussins vivent tous dans des environnements différents. Ainsi, au fil du temps, la pression évolutive peut avoir modifié les paramètres et les conditions initiales du développement de l’embryon », a déclaré Serra. « Mais certains des principes fondamentaux d’auto-organisation, au moins à ce stade précoce de la gastrulation, peuvent être les mêmes dans les trois. »

Serra et ses collaborateurs étudient actuellement d’autres mécanismes qui donnent naissance à des modèles d’auto-organisation à l’échelle de l’embryon. Ils espèrent que cette recherche pourrait faire progresser la conception de biomatériaux et la médecine régénérative pour aider les humains à vivre plus longtemps et en meilleure santé.

« Le corps humain est le système dynamique le plus complexe qui existe », a-t-il déclaré. « Il y a tellement de questions biologiques, physiques et mathématiques intéressantes sur notre corps. C’est beau à contempler. Il n’y a pas de fin aux découvertes que nous pouvons faire. »