Des amibes en mouvement à la recherche d'oxygène

Publié par Adrien le 06/11/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
En combinant expériences biologiques, développements technologiques et modélisation mathématique, des chercheurs ont mis en lumière la façon dont les amibes sociales réagissent à un manque d'oxygène: elles forment un anneau dense de cellules, s'élargissant jusqu'à retrouver un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) favorable, mais sans communiquer entre elles...

De nombreux types de cellules sont capables de se repérer et de se diriger dans l'espace. Ces qualités sont indispensables au bon développement des organismes pluricellulaires, mais aussi à l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de l'environnement par des organismes unicellulaires. Un moyen pour ces cellules de trouver leur chemin consiste à sentir leur environnement chimique immédiat et à suivre des gradients de molécules.


L'image en noir et blanc montre l'anneau de cellules, déjà apparent après 3h (à gauche), et s'étendant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en avançant à vitesse (On distingue :) constante sur des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) très longs (ici 2 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...), à droite) vers des zones plus riches en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...).
L'image en couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) représente la co-observation de la position des cellules (cercles noirs) et de la distribution d'oxygène (de 0 à 5% d'oxygène, 21% correspondant aux valeurs atmosphériques).

Dans ce travail, les chercheurs ont démontré la capacité d'une colonie d'amibes Dictyostelium discoideum, appelées aussi amibes sociales, à répondre à des gradients d'oxygène générés par leur propre respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet...). En effet, quand la colonie devient trop dense, l'oxygène commence à manquer. Les cellules reconnaissent la présence de gradients d'oxygène et les suivent afin de se diriger vers des zones plus accueillantes. C'est l'aérotaxie. Cependant, elles ne partent pas chacune dans leur coin mais constituent un front.

Les chercheurs ont prouvé que l'aérotaxie individuelle des amibes sociales ne se déclenche qu'à partir d'un seuil de concentration en oxygène minimale. Il en résulte la formation d'un front dense de cellules suivant une concentration d'oxygène constante et se déplaçant à vitesse constante sur plusieurs jours au moins. Remarquablement, cette réponse collective se produit sans aucune communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) entre les cellules, alors que les amibes sociales sont précisément étudiées pour leur capacité de communication cellulaire.

Ces travaux interdisciplinaires, réalisés à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) à Lyon (ILM, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / Univ. Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), ont également impliqué le Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en cancérologie (L'oncologie ou carcinologie ou cancérologie est la spécialité médicale...) de Lyon (CRCL, INSERM/CNRS/ Univ. Claude Bernard Lyon 1), l'Institut Camille Jordan (IJC, CNRS/Univ. Jean Monnet/Univ. Claude Bernard Lyon 1/Ecole Centrale de Lyon/Institut national des sciences appliquées de Lyon) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Tohoku à Sendai. Ils sont publiés dans la revue eLife.

Pour comprendre ces migrations cellulaires, les chercheurs ont confiné sous des lamelles en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) des colonies de plusieurs milliers de cellules. En parallèle, ils ont développé de nouveaux capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) d'oxygène, des galettes transparentes de quelques dizaines de microns d'épaisseur dont les propriétés optiques changent en fonction de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'oxygène disponible. Le mouvement des cellules ainsi que la cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le...) à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) de l'oxygène ont été enregistrés par des méthodes de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...).

Grâce à cet ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de techniques, les scientifiques ont mis en évidence la création de gradients autogénérés d'oxygène et la réponse collective des cellules. Cependant, les gradients et les concentrations locales d'oxygène sont couplés, entre eux et avec le mouvement des cellules, et il est difficile d'avoir une compréhension globale de la réponse des cellules en fonction de ces deux paramètres. Les chercheurs ont donc développé des microsystèmes fluidiques se présentant sous la forme d'un canal millimétrique où les cellules peuvent être placées et observées. Ils ont ensuite alimenté ce canal en gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) par deux canaux indépendants placés de chaque côté, et ils ont créé un gradient latéral d'oxygène allant d'une hypoxie totale à des concentrations atmosphériques en envoyant de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) d'un côté et de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) pur de l'autre.

Ces expériences ont ainsi mis en lumière pour la première fois de façon quantitative la modulation de l'aérotaxie, les cellules migrant vers les zones riches en oxygène mais uniquement sur la partie du canal la plus hypoxique. Enfin, les auteurs ont développé un modèle numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) qui, partant des caractéristiques d'une amibe (Les amibes (du grec amoibē transformation), sont des protozoaires simples de taille variant...) unique, reproduit le comportement de toute une colonie par simple multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) des amibes dans la simulation. Ils ont également réalisé une mise en équations mathématiques originales de la constitution d'un front circulaire en mouvement. Tous ces travaux théoriques sont généralisables à n'importe quelle situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) impliquant une réponse collective à des gradients autogénérés.

En conclusion, ces résultats démontrent que l'oxygène joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) le rôle d'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) spatio-temporel dans l'organisation (Une organisation est) de communautés de cellules. Il pourrait agir de façon similaire dans le développement des organismes. Enfin, dans le cadre de la recherche autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la matière active, il s'agit de la mise en évidence d'une nouvelle classe de mouvements collectifs, très stables et durables, se produisant sans lien entre les individus, mais via un couplage avec l'environnement.

Référence:
Hypoxia triggers collective aerotactic migration in Dictyostelium discoideum.
Olivier Cochet-Escartin, Mete Demircigil, Satomi Hirose, Blandine Allais, Philippe Gonzalo, Ivan Mikaelian, Kenichi Funamoto, Christophe Anjard, Vincent Calvez, Jean-Paul Rieu, eLife, paru le 20 août 2021.
DOI: 10.7554/eLife.64731
Disponible sur la bases d'archives ouvertes HAL.
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