Spermatozoïdes: auto-assemblage moléculaire reproduisant le mouvement ondulatoire des flagelles

Publié par Adrien le 14/08/2022 à 09:00
Source: CEA IRIG

© Pascal Martin/Institut Curie
Certaines de nos cellules disposent à leur surface d'appendices filiformes qui peuvent se mouvoir. C'est le cas dans nos bronches où le battement de nombreux cils permet l'écoulement du mucus, une barrière de protection naturellement présente dans notre organisme. D'autres cellules peuvent être munies d'un flagelle (Le flagelle est génériquement un organite assurant la mobilité d'une cellule. Les...) unique, comme les spermatozoïdes. Le flagelle, dont la structure est commune à celle du cil (Les cils sont des poils, qui poussent sur le bord libre des paupières des êtres humains...), se déforme lui aussi pour créer un mouvement ondulatoire, responsable de la "nage" du spermatozoïde (Un spermatozoïde est une cellule haploïde sexuelle (ou gamète) produite par...).

Un système d'étude innovant

À partir des travaux de l'équipe du CytomorphoLab au CEA de Grenoble, il est devenu possible de polymériser, c'est-à-dire de "construire", des filaments d'actine [3] et de les organiser en réseaux d'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) prédéfinie. L'équipe "Mécano-sensibilité active des cellules ciliées de l'oreille interne (L'oreille interne est une des parties de l'oreille, qui contient non seulement l'organe de...)" dirigée par Pascal Martin, directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l'Institut Curie (L'Institut Curie est une fondation, dont les activités principales sont d'une part la...), utilisait cette méthode d'assemblage de l'actine lorsqu'un phénomène remarquable a été observé: "Mathieu Richard, alors doctorant dans mon équipe sur un tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) autre sujet, a assemblé des filaments d'actine dans un bain de myosines, dans le but de tester leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.). De manière tout à fait inattendue, les filaments se sont rapprochés et ont formé spontanément des faisceaux ondulants comme des flagelles.", raconte le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...). C'est la première fois que l'on parvient à observer ce phénomène dans un système "artificiel" d'actine et de myosine.

Dans ce système, les chercheurs n'utilisent ni les microtubules ni les dynéines des flagelles, mais un autre type de filament, l'actine, et un autre moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique,...) moléculaire, la myosine. Cependant, le fait de retrouver un mouvement ondulatoire tout à fait semblable à celui d'un flagelle suggère que des lois physiques communes peuvent s'appliquer à ces différents systèmes de filaments et de moteurs moléculaires.

Une autre observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) surprenante a permis d'éclairer le mécanisme des ondulations. Marie Pochitaloff, durant son doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...) dans l'équipe de Pascal Martin, a visualisé la répartition de la myosine le long des faisceaux de filaments. Pascal Martin nous explique: "Nous nous attendions à trouver la plupart de la myosine à la base des faisceaux car c'est à cet endroit que l'on trouvait le plus de filaments, et donc le plus de sites de liaisons potentiels. Contre toute attente, nous avons observé que la myosine se fixait à un endroit où il y a moins de filaments mais où la courbure de la structure était la plus extrême, avant de se déplacer vers l'extrémité du faisceau." Ce couplage entre l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de courbure et la localisation des moteurs révèle une relation étroite entre la courbure des faisceaux de filaments et leur liaison aux moteurs moléculaires.


Suivi de l'ondulation des faisceaux d'actine sur une période.
© Pascal Martin/Institut Curie.

FOCUS: le flagelle, un système couplant filaments et moteurs moléculaires

Un flagelle est constitué d'une structure de filaments parallèles - les microtubules. Des moteurs moléculaires, les dynéines, forment des liens entre les filaments. En se mettant sous tension (La tension est une force d'extension.), ils forcent les filaments à coulisser les uns par rapport aux autres. Ce mouvement, lorsqu'il est bien coordonné, créé des ondulations régulières et rythmées du flagelle. Depuis des décennies, les chercheurs visent à comprendre la manière dont les filaments et les moteurs moléculaires arrivent à s'auto-organiser pour créer ce mouvement régulier dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) et dans l'espace.

Entre biologie expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) et physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...)

Grace au travail de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) théorique de Martin Miranda, dans son doctorat codirigé par le Pr Frank Jülicher au Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) Institute for the Physics of Complex Systems et par Jean-François Joanny, Professeur au Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin...), il a été possible de modéliser quantitativement les observations expérimentales pour comprendre l'origine physique de l'ondulation spontanée. "C'est cette collaboration entre expérience et théorie, entre biologie et physique, qui a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) ces résultats possibles." ajoute Pascal Martin.

Cette nouvelle approche permettra donc d'étudier, aussi bien expérimentalement que théoriquement, les phénomènes complexes impliqués dans l'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de...) des systèmes de filaments et de moteurs moléculaires. Il a déjà permis de montrer une corrélation entre la courbure des faisceaux de filaments et leur liaison aux moteurs moléculaires ainsi que l'existence de lois physiques générales dans ces systèmes. Les études futures viseront à élucider les mécanismes moléculaires permettant aux moteurs de ressentir la courbure des filaments et comment il est possible de réguler cette mécano- sensibilité.

Il s'agit d'un premier pas vers une meilleure compréhension du fonctionnement et dysfonctionnement des cils et flagelles et, au-delà, d'autres processus biologiques associées à des déformations du cytosquelette par des moteurs moléculaires.

Notes:
[1] Les travaux ont été menés dans.
- le Laboratoire physico-chimie Curie (Institut Curie, CNRS, Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université) par l'équipe "Mécano-sensibilité active des cellules ciliées de l'oreille (L'oreille est l'organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...)" dirigée par Pascal Martin,
- au Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (Dresde, Allemagne) par l'équipe du Pr Franck Jülicher, en collaboration avec le Pr Jean-François Joanny (Institut Curie/Collège de France),
- au Laboratoire physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) cellulaire & végétale dans l'équipe CytomorphoLab co-dirigée par Laurent Blanchoin et Manuel Théry (CNRS, CEA, UGA, INRAE).
[2] Le flagelle artificiel créé ici résulte de l'assemblage d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) (plusieurs milliers) de molécules individuelles.
[3] Les filaments d'actine, comme les microtubules, sont un des composants essentiels du cytosquelette, permettant à la cellule d'adopter diverses formes et de se mouvoir sous l'action de moteurs moléculaires.

Références:
Pochitaloff M, Miranda M, Richard M, Chaiyasitdhi A, Takagi Y, Cao W, De La Cruz EM, Sellers JR, Joanny JF, Jülicher F, Blanchoin L and Martin P
Flagella-like beating of actin bundles driven by self-organized myosin waves.
Nature Physics, 2022.
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