Communication cellulaire en un clin d'œil

La transmission fiable et rapide d'informations sur de grandes distances est cruciale pour la survie des cellules dans des environnements complexes. Les organismes multicellulaires ont développé des moyens de transmettre des signaux le long des neurones à une vitesse de 100 mètres par seconde. Dans le monde unicellulaire, les organismes dépendent de leur milieu externe pour transmettre des signaux entre les cellules. , Mathijssen et al. rapportent que lorsque des organismes unicellulaires appelés protistes subissent une contraction cellulaire rapide, le fluide dans lequel ils vivent est agité et le flux de fluide qui en résulte peut déclencher la propagation ultra-rapide du comportement de contraction à travers la population de protistes. La contraction peut être accompagnée par la libération de toxines comme moyen de défense. La capacité de déclencher une vague de contractions au niveau de la population pourrait être cruciale pour la survie des protistes dans un environnement aquatique périlleux rempli de prédateurs.

Le héros de notre histoire est un protiste appelé Spirostomum ambiguum (Fig. 1). Bien que petit selon nos normes, sa longueur de 1,3 mm en fait un géant parmi les organismes unicellulaires. Depuis que le biologiste Ernst Haeckel a rendu compte des études classiques sur les protistes à la fin du XIXe siècle, S. ambiguum a été un sujet de fascination, en particulier parce qu’il peut se contracter à environ 40% de sa longueur initiale à une vitesse 100 fois supérieure à celle d’un clin d’œil^,. Bien que les biologistes aient parcouru un long chemin pour comprendre les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à cette contraction^–, il est resté un sujet relativement négligé dans la recherche biologique.

Mathijssen et ses collègues ont maintenant exploré ce sujet d’un point de vue biophysique et leurs résultats nous rappellent à quel point ce processus est incroyablement rapide. En utilisant la microscopie vidéo à haute vitesse pouvant capturer 10 000 images par seconde, les auteurs ont filmé les contractions de milliers de S. ambiguum cellules, et quantifié leurs vitesses de contraction de manière globale.

Ils constatent que, lors de sa contraction de 5 millisecondes, le protiste accélère pour atteindre l’équivalent d’une force gravitationnelle (g force) de 14g. Ceci est très impressionnant, étant donné que les pilotes du groupe Master Class de la Red Bull Air Race (équivalent de la Formule 1 pour les avions) sont disqualifiés s’ils dépassent 12g, car un pilote qui subit de telles forces risque de perdre conscience. Pourtant, tel g les forces ne posent aucun problème pour S. ambiguum. Après la contraction rapide, le protiste se détend relativement lentement, en environ 1 seconde, et peut répéter le cycle encore et encore.

Après avoir quantifié les paramètres clés de la contraction, Mathijssen et ses collègues ont étudié le phénomène de manière plus approfondie en cherchant à comprendre ses effets dans le monde microscopique et à en déterminer les implications. Les auteurs ont observé que la contraction génère des écoulements de fluide à longue distance autour de l'organisme. Lorsqu'ils ont utilisé des perles pour visualiser les flux, ils ont constaté qu'ils ressemblaient à des tourbillons qui se développent avec le temps. Utiliser des équations bien établies décrivant le mouvement des fluides, les auteurs ont récapitulé ce modèle de flux dans une simulation informatique. Cela a montré que, dans un milieu suffisamment liquide, la contraction pouvait générer un écoulement facilitant la dispersion du matériau autour du protiste.

Mais qu'est-ce qui déclenche la contraction? Les biologistes avaient considéré ce comportement comme un type de réponse «surprise», peut-être une réaction à la présence d’un prédateur. Cependant, le mécanisme exact était resté insaisissable. Mathijssen et ses collègues proposent que le déclencheur de la contraction puisse être un écoulement dans le fluide environnant généré par les organismes eux-mêmes ou par des prédateurs.

Pour tester leur hypothèse, ils ont construit un appareil dans lequel les individus S. ambiguum les cellules ont été exposées à des écoulements de fluide à des vitesses croissantes. Utilisation de méthodes de dynamique des fluides, les auteurs pourraient relier la vitesse du flux qui déclenche une contraction au niveau de tension induite par ces flux dans les membranes biologiques. Ils trouvent une similitude remarquable entre le niveau de tension induite par l'écoulement qui déclenche la contraction et la tension requise pour ouvrir les canaux ioniques mécanosensibles dans les membranes cellulaires. Il a été suggéré que les protistes utilisent des canaux mécanosensibles pour détecter les flux de liquide, et cette convergence de la théorie et du travail expérimental suggère qu’une contraction est déclenchée dès que les flux atteignent un certain seuil de grandeur.

À ce stade, cependant, l'heureuse union de la biologie et de la physique s'achève. En effet, pour convaincre un biologiste qu'un tel mécanisme est en jeu, il serait nécessaire de démontrer que l'épuisement de ces canaux mécanosensibles dans S. ambiguum cellules affecte la capacité des organismes à réagir au flux de liquide. De telles manipulations ne sont pas réalisables actuellement S. ambiguumet donc, pour le moment, nous devons considérer ce mécanisme comme n'étant pas définitivement prouvé.

Quels que soient les détails moléculaires exacts de la contraction des cellules, les expériences de Mathijssen et de ses collègues ont clairement montré que les écoulements peuvent déclencher la contraction. Considérant que la contraction elle-même génère des flux, les auteurs ont ensuite demandé ce qui se passait lorsque de nombreux S. ambiguum les cellules viennent ensemble à proximité. Peuvent-ils déclencher des contractions mutuelles au moyen des flux qu’elles génèrent? Remarquablement, ils peuvent. S. ambiguum cellules cultivées in vitro tendent à s'auto-assembler en grappes, et les auteurs rapportent que, lorsque les cellules atteignent une certaine densité, les protistes manifestent un phénomène collectif frappant: une cellule se contracte spontanément, déclenchant des contractions chez ses voisins et propageant ainsi une vague de contraction à travers la colonie (Fig. 1).

Ces ondes voyagent à des vitesses remarquablement élevées, de 0,25 m s⁻¹. Les auteurs ont utilisé d'autres cadres théoriques puissants^– simuler le déclenchement et la propagation des ondes en générant différentes simulations en fonction de l’orientation, de la forme et de la densité de la S. ambiguum cellules. Ils ont comparé ces analyses théoriques avec leurs résultats expérimentaux et ont établi le seuil de densité cellulaire auquel S. ambiguum les colonies sont susceptibles de générer des contractions collectives rapides.

Mais la question à un million de dollars demeure: à quoi cette contraction collective est-elle utile? Les auteurs montrent, par des simulations, qu’une fonction possible des ondes de contraction est de permettre une décharge synchronisée de toxines en réponse à un prédateur. Les flux générés par un grand prédateur lui-même ou par la tentative d'un prédateur de manger un individu S. ambiguum, pourrait générer un déclencheur initial induisant une libération généralisée de toxines par la colonie dans le milieu environnant. Pour tester cette hypothèse, des manipulations génétiques ciblées seraient nécessaires pour dissocier le processus de génération et de détection des flux de l'événement de libération de toxine.

De nombreux protistes présentent des contractions rapides et de nombreuses cellules et organismes, tels que les bactéries et les poissons, génèrent et détectent les écoulements liquides. L'investigation de la génération et de la détection de ces flux sera probablement un sujet fructueux pour les recherches futures. Il sera intéressant de voir comment la coopération interdisciplinaire entre la biologie et la physique continue de faire la lumière sur ce remarquable processus de propagation du signal.