vendredi 8 avril 2016

Amibes qui gardent le rythme

Même les changements minuscules dans leur environnement peuvent causer le cytosquelette de l'amibe Dictyostelium discoideum à osciller
L'amibe Dictyostelium discoideum est l’"animal préféré" pour de nombreux biologistes et des physiciens: l'organisme unicellulaire qui vit habituellement dans le sol, sert de modèle pour une très large gamme de cellules, qui sont capables de changer de forme ou de se déplacer comme dès qu'ils détectent les changements dans les concentrations chimiques de leur environnement. Des exemples de telles cellules comprennent des cellules cancéreuses, des cellules souches embryonnaires à un stade très précoce de leur développement, et des cellules impliquées dans la cicatrisation des plaies. Les scientifiques sont maintenant fascinés par une caractéristique auparavant inconnue de cette amibe: il oscille en interne à un intervalle de 20 secondes. Durant cette période, le cytosquelette, qui donne à la cellule sa stabilité interne, peut se réorganiser. Dans le cadre du Centre de recherche en collaboration "du comportement collectif de Soft et de la matière biologique", les physiciens de l'Institut Max Planck de dynamique et auto-organisation (MPIDS) à Göttingen ont démontré que cela permet à l’amibe de réagir à des stimuli minimaux de leur environnement. Les avantages obtenus grâce à cette rénovation intérieure rythmique restent floues. Il est supposé que cela aide à la cellule de se déplacer.
L'amibe Dictyostelium discoideum - souvent avec amour dénommé "Dicty" - est une créature sensible: il peut percevoir même les plus infimes variations dans la composition chimique de ses environs. Cette compétence est payante dans les situations d'urgence. Dès que l'apport de nutriments de l'amibe devient clairsemé, il transmet des appels chimiques de l'aide à ses voisins. Ceux-ci se composent d'une petite quantité de la substance de signalisation adénosine monophosphate cyclique (AMPc). Les Dictys à proximité enregistrent le signal et transmettent également leur propre appel à l'aide. Les ondes circulaires et en forme de spirale "urgence-appel» se posent d'une manière auto-organisée. Les cellules suivent les appels, rampent vers le centre de la vague et agrègent là. Ils forment alors un corps de fructification avec des spores, qui sont conservées jusqu'à ce que l'environnement offre des quantités suffisantes de la nutrition à nouveau. Dans leurs nouvelles expériences et des calculs, les chercheurs de Göttingen ont examiné ce qui se passe à l'intérieur des cellules individuelles quand ils reçoivent l'appel d'urgence et tourner sur leur «moteur» interne.
"Dicty est pas la seule cellule qui réagit à un stimulus chimique externe», explique le professeur Eberhard Bodenschatz, directeur au MPIDS, expliquant la motivation derrière la nouvelle étude. Par exemple, les cellules embryonnaires sont tous identiques aux premiers stades de leur développement. Mais les organismes multicellulaires, comme les êtres humains, se composent de nombreux types cellulaires différents. Seules les différences entre les concentrations de certaines substances de signalisation amènent les cellules à se développer en différents types, comme les cellules du cerveau, les cellules musculaires ou les cellules osseuses. Ici, la localisation correcte des différents types de cellules est d'une importance particulière. Il suit le même mécanisme par lequel certaines substances chimiques stimulent les cellules pour guérir une blessure.
L'actine protéine structurale joue un rôle crucial dans ce processus. Elle peut se polymériser en un réseau de fibres fines qui est localisée au niveau du côté intérieur de la membrane cellulaire, comme un squelette qui conserve la forme et la stabilité mécanique de la cellule. Les scientifiques se réfèrent à cette structure que le cytosquelette d'actine. Stimuli chimiques provoquent l'extérieur de ce réseau à se déplacer: vers l'intérieur de la cellule, le réseau d'actine est démonté tandis que, en même temps, il vient d'être reconstruit vers la membrane cellulaire.
«Dans nos expériences, nous avons délibérément exposés des cellules individuelles à un changement spatialement et temporellement bien définie dans la concentration d'AMPc», explique Christian Westendorf du MPIDS, qui a effectué les expériences. Cela a été possible à l'aide d'une substance appelée DMNB-AMPc. "Une courte impulsion laser peut diviser cette composante de sorte que la AMPc substance de signalisation est libéré», explique Westendorf. Pour permettre aux scientifiques de retracer la réaction subséquente de la cellule au microscope, son réseau d'actine a été marqué avec un marqueur fluorescent.
Contre toute attente, les images ont révélé que toutes les amibes réagissent de la même façon. Alors que le cytosquelette de certaines cellules seulement déplacé vers l'extérieur une fois, puis retourne à son état initial, dans les cellules des autres plusieurs oscillations ont été observées. "Dans un petit pourcentage des cellules, la structure de l'actine oscille effectivement sans stimulus externe du tout», dit Westendorf.
Pour étudier ces oscillations, les chercheurs ont effectué des expériences supplémentaires et ont exposé les cellules à des stimuli périodiques d’AMPc. Ils ont constaté qu'une période de stimulation de 20 secondes a déclenché la réaction la plus forte. "Cela prouve que les 20 secondes rythme est une propriété intrinsèque des cellules Dicty», explique le professeur Carsten Beta, qui travaille au MPIDS et à l'Université de Potsdam. Le comportement des cellules peut être comparé à un pendule qui oscille à sa propre fréquence unique. L'amplitude de l'oscillation est la plus grande lorsque le pendule est périodiquement entraîné à un rythme similaire à sa fréquence intrinsèque.
Mais les résultats de cette étude révèlent encore plus: "Les amibes vivent clairement sur le bord d'une instabilité», explique Bodenschatz. Même le plus petit changement, à peine mesurable dans les conditions externes peut provoquer le cytosquelette à osciller - ou de rester au repos. Un modèle théorique proposé par les chercheurs pour décrire la dynamique du cytosquelette de réponse, soutient cette conclusion. Un comportement similaire a été trouvé, par exemple, pour les cellules ciliées de l'oreille interne. "Chacune des cellules est un amplificateur très sensible pour des stimuli externes: de minuscules différences dans les conditions externes provoquent des changements significatifs dans le comportement», dit Bodenschatz. Par conséquent, les cellules peuvent réagir avec une sensibilité particulière à de telles différences.
Cependant, on ignore encore pourquoi le rythme interne des amibes se trouve à des périodes de 20 secondes environ. Dans leur milieu naturel, les organismes unicellulaires ne sont pas exposés à de tels signaux rapides. Les appels à l'aide émis par leurs cellules semblables surviennent à des intervalles de quelques minutes. "Cependant, lors du déplacement, les cellules forment des protubérances membranaires à des intervalles de dix à 20 secondes», dit Bodenschatz. «Il est possible que la cellule a besoin de cette horloge interne pour son mouvement."