Comment de faibles forces déforment les membranes cellulaires

Les scientifiques de l'ETH Zurich ont pu montrer pourquoi les cellules biologiques peuvent prendre des formes étonnamment diverses: cela est lié au nombre et à la force des forces locales qui agissent sur la membrane cellulaire de l'intérieur. Cette découverte contribue au développement de meilleurs systèmes modèles et de cellules artificielles.
Des particules autopropulsées (globules bleu-vert) agissent sur la membrane de l'intérieur et lui donnent des formes inhabituelles. (graphique : Studio Ella Maru)

Saillies en forme d'épine, longues flagelles ou fibres, renflements volumineux: les cellules biologiques peuvent former presque toutes les structures membranaires complexes. À l'aide de ces structures, les cellules perçoivent des stimuli externes, entrent en contact avec d'autres cellules ou explorent leur environnement.

Pour que des formes aussi diverses puissent voir le jour, il faut des forces locales qui agissent sur la membrane cellulaire de l'intérieur. Dans les cellules, des composants du cytosquelette tels que les filaments d'actine ou les microtubules exercent de telles forces sur la membrane. Cependant, les bactéries pathogènes qui envahissent les cellules peuvent également produire des phénomènes similaires. C'est ce qu'on appelle la listeria, l'agent pathogène qui provoque l'inflammation intestinale. En déformant la membrane, la bactérie parviendrait finalement à infecter aussi les cellules voisines saines.

Video: Nicole Davidson/ETH Zurich

Les particules autopropulsées comme solution

Un groupe de chercheurs dirigé par Jan Vermant, professeur de matériaux souples à l'ETH Zurich, a trouvé une solution à ce problème jusqu'alors non résolu. Ils ont rempli les vésicules de particules de taille micrométrique qui peuvent se déplacer indépendamment à l'intérieur de la vésicule. Ils entrent en collision aléatoire avec la membrane et génèrent ainsi des forces locales qui conduisent à la formation de flagelles, d'antennes et d'autres structures.

«Nous avons non seulement réussi à créer un système artificiel, très simplifié, qui imite très bien les cellules», explique Rao Vutukuri, boursier Marie Curie du groupe Vermants. «Grâce à cette approche, nous avons également pu clarifier la physique des matériaux et la mécanique des membranes constituées de doubles couches de lipides». L'étude correspondante vient d'être publiée dans la revue Nature. Vutukuri est le premier auteur.

En collaboration avec des chercheurs du Forschungszentrum Jülich (D), les chercheurs de l'ETH ont également combiné leurs expériences avec des simulations sur ordinateur afin de mieux comprendre le mécanisme exact qui sous-tend les déformations de la membrane. Cela leur a permis de montrer comment les particules autopropulsées produisent une variété de formes inhabituelles. Les observations des expériences et des simulations étaient en bon accord.

Les particules déclenchent une variété de formes

Les deux montrent: les particules entrent d'abord en collision avec la membrane des vésicules à des endroits aléatoires - et ce faisant, déclenchent des effets similaires à ceux de la listeria dans une cellule réelle. Le point où une particule frappe la membrane la déforme localement, ce qui attire d'autres particules. La membrane se gonfle de plus en plus, formant bientôt des saillies épineuses ou flagelles.

Cependant, la déformation des vésicules dépend de la force avec laquelle elles sont remplies de particules. «Moins, c'est plus», dit Rao Vutukuri. Plus les vésicules contiennent de particules, moins la membrane réagit aux forces ponctuelles exercées par les particules. En revanche, une quantité de remplissage de trois pour cent était optimale et a conduit à la formation des structures membranaires les plus folles. Ces déformations peuvent également régresser. «Le système est très dynamique», explique Rao Vutukuri. «Les transitions de forme peuvent maintenant même être prédites.»

«Même si nos vésicules ne représentent pas toute la complexité d'une vraie cellule, la façon dont une structure auto-organisée comme la membrane réagit à de grandes déformations locales est fascinante. Sa réaction aux forces actives a été sous-estimée jusqu'à présent», explique le professeur Vermant de l'ETH Zurich. Les scientifique de l'Ecole polytechnique sont convaincus que cette étude ouvre la voie au développement de nouveaux systèmes de membranes artificielles, de cellules artificielles ou de minuscules robots en matériaux souples.