La Croissance d’un Organisme repose sur un motif de vagues
Lorsqu’un ovule de pratiquement n’importe quel type d’espèce se reproduisant sexuellement est fécondé, il déclenche une série d’ondes qui déferlent sur la surface de l’œuf. Ces ondes sont créées par des milliards de protéines saines activées qui montent avec la couche membranaire de l’œuf comme des flots de petites sentinelles fouillantes, indiquant à l’œuf de commencer à se diviser, à se replier et à se séparer à nouveau pour former les graines cellulaires initiales d’un organisme.
Les chercheurs du MIT ont maintenant examiné en détail le motif de ces ondes générées à la surface des œufs d’étoiles de mer. Ces œufs sont énormes et, pour cette raison, faciles à observer et les scientifiques pensent que les œufs d’étoiles de mer représentent les œufs de nombreuses autres espèces animales.
Dans chaque œuf, le groupe a introduit une protéine pour simuler le début de la fécondation et a enregistré le schéma des vagues qui ont éclaboussé leurs surfaces en réaction. Ils ont observé que chaque vague s’élevait selon un motif en spirale et que plusieurs spirales tournoyaient à la fois sur la surface d’un œuf. Certaines spirales sont automatiquement apparues et ont tourbillonné dans des instructions opposées, tandis que d’autres sont entrées en collision frontale et sont instantanément parties.
Les chercheurs ont compris que les actions de ces ondes tourbillonnantes ressemblent aux ondes produites dans divers autres systèmes apparemment sans rapport, tels que les tourbillons dans les liquides quantiques, les circulations sanguines dans l’ambiance et les océans, et les signaux électriques qui se propagent à travers le cœur et le cerveau. .
“Très peu de choses ont été apprises sur la dynamique de ces ondes de surface dans les œufs, et après avoir commencé à évaluer et à modéliser ces ondes, nous avons découvert que ces mêmes modèles apparaissent dans tous ces autres systèmes”, déclare le physicien Nikta Fakhri, le Thomas D. et Virginia W. Cabot Enseignante assistante au MIT. “C’est une indication de ce modèle de vague mondial.”
“Cela ouvre un tout nouveau point de vue”, déclare Jörn Dunkel, professeur associé de mathématiques au MIT. « Vous pouvez emprunter de nombreuses méthodes que les gens ont créées pour examiner des modèles comparables dans divers autres systèmes, pour découvrir quelque chose concernant la biologie. »
Fakhri et Dunkel ont publié aujourd’hui leurs résultats dans la revue Nature Physics. Leurs co-auteurs sont Tzer Han Tan, Jinghui Liu, Pearson Miller et Melis Tekant du MIT.
Trouver sa facilité
Des recherches antérieures ont révélé que la fécondation d’un œuf active rapidement Rho-GTP, une protéine saine dans l’œuf qui dérive généralement dans le cytoplasme de la cellule dans un état non actif. Lorsqu’elles sont activées, des milliards de protéines saines sortent du bourbier du cytoplasme pour se fixer à la couche membranaire de l’œuf, serpentant le long de la paroi par vagues.
« Visualisez si vous avez un aquarium sale, ainsi que lorsqu’un poisson nage près du verre, vous pouvez le voir », explique Dunkel. « Comparablement, les protéines se trouvent quelque part à l’intérieur de la cellule, et lorsqu’elles sont activées, elles se fixent à la membrane et vous commencez à les voir bouger. »
Fakhri dit que les vagues de protéines traversant la membrane de l’œuf permettent, en partie, d’organiser la division cellulaire autour du noyau de la cellule.
“L’œuf est une cellule importante, et ces protéines saines doivent également collaborer pour trouver son installation, pour s’assurer que la cellule comprend où se diviser et se replier, plusieurs fois, pour former un organisme”, affirme Fakhri. “Sans ces protéines faisant des vagues, il n’y aurait pas de division cellulaire.”
Des chercheurs du MIT observent des surtensions dans un œuf récemment fécondé, similaires à divers autres systèmes, des flux marins et climatiques aux fluides quantiques. Avec l’aimable autorisation des scientifiques.
Dans leurs recherches, l’équipe s’est concentrée sur le type actif de Rho-GTP et le modèle d’ondes générées sur la surface d’un œuf lorsqu’elles modifiaient la concentration de la protéine.
Pour leurs expériences, ils ont obtenu une dizaine d’ovules d’ovaires d’étoiles de mer grâce à une chirurgie miniinvasive. Ils ont présenté un agent hormonal pour stimuler la maturation et infusé des marqueurs fluorescents pour se fixer à tout type énergétique de Rho-GTP qui passait en action. Ils ont ensuite observé chaque œuf via une lentille microscopique confocale. Ils ont observé des milliards de protéines saines activées et éclaboussées sur toute la surface de l’œuf en action à différentes concentrations de la protéine hormonale artificielle.
« De cette façon, nous avons développé un kaléidoscope de différents modèles et vérifié leurs caractéristiques résultantes », explique Fakhri.
Piste de tempête
Les scientifiques ont d’abord rassemblé des vidéos en noir et blanc de chaque œuf, montrant les vagues intenses qui ont traversé sa surface. Plus une région est brillante dans une onde, plus la concentration de Rho-GTP est élevée en raison d’une zone spécifique. Pour chaque clip vidéo, ils ont comparé la luminosité ou la concentration de protéines d’un pixel à l’autre et ont utilisé ces comparaisons pour produire une animation informatique des mêmes modèles d’ondes.
À partir de leurs clips vidéo, le groupe a observé que les vagues semblaient osciller à l’extérieur sous la forme de minuscules spirales ressemblant à des ouragans. Les chercheurs ont retracé l’origine de chaque vague jusqu’au cœur de chaque spirale, ce qu’ils appellent un « problème topologique ». Par curiosité, ils ont suivi eux-mêmes le mouvement de ces défauts. Ils ont effectué une évaluation statistique pour établir exactement à quelle vitesse des problèmes spécifiques ont traversé la surface d’un œuf, ainsi qu’à quelle fréquence, ainsi que dans quelles configurations, les spirales se sont retournées, sont entrées en collision et ont disparu.
Dans un tour surprenant, ils ont découvert que leurs résultats statistiques et les habitudes des vagues à la surface d’un œuf étaient les mêmes que le comportement des vagues dans d’autres systèmes plus grands et relativement non connectés.
“Lorsque vous consultez les statistiques de ces problèmes, ce sont des tourbillons similaires dans un fluide, ou des vagues à l’esprit ou des systèmes sur une plus grande plage”, explique Dunkel. “Cela coïncide avec un phénomène universel, juste réduit au niveau d’une cellule.”
Les scientifiques sont particulièrement intéressés par la ressemblance des ondes avec les suggestions de l’informatique quantique. Tout comme le modèle d’ondes dans un œuf communique des signaux spécifiques, dans cette situation de division cellulaire, l’ordinateur quantique est un domaine qui a l’intention d’ajuster les atomes dans un modèle liquide et inexact pour convertir des informations et également effectuer des estimations.
“Peut-être qu’actuellement, nous pouvons emprunter des suggestions aux liquides quantiques pour développer des miniordinateurs à partir de cellules biologiques”, affirme Fakhri. “Nous nous attendons à quelques distinctions, mais nous essaierons certainement d’explorer [les ondes de signalisation organiques] encore plus en tant qu’outil de calcul.”
Cette étude a été soutenue, en partie, par la James S. McDonnell Structure, la Alfred P. Sloan Foundation et la National Science Structure.
Publié à l’origine sur MIT NEWS. Lire l’article d’origine.
