Des biophysiciens découvrent de puissantes symétries dans les tissus vivants | Magazine Quanta

Luca Giomi se souvient encore de l'époque où, alors qu'il était jeune étudiant diplômé, il regardait deux vidéos de gouttelettes sortant d'une imprimante à jet d'encre. Les vidéos étaient pratiquement identiques, sauf que l'une d'entre elles n'était pas du tout une vidéo. C'était une simulation.

"J'étais absolument époustouflé", a déclaré Giomi, biophysicien à l'université de Leiden. "On pouvait tout prédire sur les gouttelettes d'encre."

La simulation s'appuie sur les lois mathématiques de la dynamique des fluides, qui décrivent le comportement des gaz et des liquides. Et maintenant, des années après avoir admiré ces gouttelettes d'encre, Giomi se demande toujours comment il pourrait atteindre ce niveau de précision pour des systèmes un peu plus compliqués que les gouttelettes d'encre.

"Mon rêve est vraiment d'utiliser autant de pouvoir prédictif au service de la biophysique", a-t-il déclaré.

Giomi et ses collègues viennent de franchir une étape importante vers cet objectif. Dans selon une étude publié dans Physique de la nature, ils concluent que les feuilles de tissu épithélial, qui composent la peau et gainent les organes internes, agissent comme des cristaux liquides – des matériaux ordonnés comme des solides mais qui s'écoulent comme des liquides. Pour établir ce lien, l’équipe a démontré que deux symétries distinctes coexistent dans le tissu épithélial. Ces différentes symétries, qui déterminent la manière dont les cristaux liquides réagissent aux forces physiques, apparaissent simplement à différentes échelles.

Les connaissances de l’équipe pourraient faciliter l’application de la précision des simulations dynamiques des fluides aux tissus vivants. Si tel est le cas, Giomi espère prédire comment les tissus humains bougent et se déforment au cours de processus allant de la cicatrisation des plaies aux métastases cancéreuses.

"C'est un excellent journal", a déclaré Linda Hirst, physicien à l'Université de Californie à Merced, qui n'a pas participé aux travaux. "Ils décrivent en réalité la symétrie des feuilles de cellules de manière plus détaillée qu'auparavant."

Flux et symétrie

Les cristaux liquides coulent comme des fluides, mais ils ont toujours un certain degré d’ordre cristallin – une sorte de symétrie ou de directionnalité inhérente qui ressemble un peu au grain du bois. Et tout comme une planche de bois est plus résistante le long de son grain, la réponse d'un cristal liquide aux stimuli dépend de sa symétrie et de son orientation. Cette directivité, appelée anisotropie, constitue la magie optique derrière les écrans à cristaux liquides modernes, qui réfractent la lumière différemment en fonction de leur orientation.

Bien que nous soyons peut-être plus familiers avec les cristaux liquides présents sur les écrans de télévision, ils sont également courants en biologie cellulaire, présents à l’intérieur des cellules et dans les membranes cellulaires. Au cours des dernières années, les chercheurs ont tenté de montrer que les tissus, des groupes organisés de cellules qui agissent ensemble, pouvaient également être considérés comme des cristaux liquides. Si les tissus pouvaient être décrits avec précision comme des cristaux liquides, alors l'ensemble d'outils que les physiciens utilisent pour prédire la façon dont les cristaux réagissent aux forces pourraient être utilisés en biologie, a déclaré Hirst.

Cependant, ces efforts se heurtent à un obstacle géométrique. Les expérimentateurs et les théoriciens ne parvenaient pas à s'entendre sur la symétrie des tissus, la caractéristique la plus déterminante d'un cristal liquide et la clé pour prédire son comportement à l'aide de la dynamique des fluides. Dans des simulations de petits groupes de cellules, les théoriciens pourraient décrire les tissus comme des cristaux liquides présentant une symétrie six fois « hexatique », un peu comme des pavages d’hexagones. Mais dans les expériences, les tissus ont agi comme des fluides constitués de particules en forme de barre avec une double symétrie « nématique » – un peu comme ce que vous verriez si vous versiez un baril de cure-dents dans un tube et les regardiez couler.

« Il y avait une contradiction : l'expérience dit nématique ; les expériences numériques et les modèles en général disent hexatique », a déclaré Livio Carenza, physicien computationnel à l'Université Koç d'Istanbul. « Comment ces deux choses se parlent-elles ?

Des simulations préliminaires réalisées par Carenza, un ancien chercheur du groupe de Giomi, suggèrent que le désaccord pourrait être résolu si les deux symétries, sextuple et double, existaient simultanément dans les tissus. L’idée était que si vous zoomiez sur un tissu à symétrie nématique, vous trouveriez une symétrie hexatique à plus petite échelle.

"Mais vous ne pouvez pas vérifier une théorie par une théorie", a déclaré Giomi. "Nous avons donc fait les expériences."

Pour ce faire, Giomi a recruté Julia Eckert, alors doctorant à l'Université de Leiden, pour recueillir des données sur des cultures de tissus vivants.

"Je les ai portés au microscope et je leur ai montré de vraies cellules, pas seulement celles qu'ils peuvent voir dans la littérature", a déclaré Eckert, qui est maintenant biophysicien à l'Université du Queensland. « Je dis : « Avez-vous déjà vu des cellules, vous savez, dans la vraie vie ? Et c'était comme 'Non'. Non? OK allons-y!"

Un nouvel ordre fluide

Eckert a commencé par développer de fines couches de tissu épithélial en laboratoire. Elle a ensuite soigneusement délimité les limites de chaque cellule sur des images microscopiques. Giomi et son équipe pouvaient désormais se mettre au travail. Ils voulaient voir si la symétrie du tissu différait entre les petites échelles – lorsqu’ils ne considéraient que quelques cellules et leurs voisines – et les échelles plus grandes avec un zoom arrière.

Mais pour démêler les symétries imbriquées dans les feuilles de cellules d'Eckert, l'équipe avait besoin d'un moyen fiable pour distinguer les ordres nématiques et hexatiques dans des données biologiques désordonnées.

Les biophysiciens de Leiden ont conçu un objet mathématique appelé tenseur de forme pour capturer des informations sur les formes et les directions des cellules. En l'utilisant, Eckert a mesuré les symétries des tissus à différentes échelles, en traitant d'abord les cellules individuelles comme les unités de base du cristal, puis en faisant de même pour les groupes de cellules.

À petite échelle, ils ont constaté que le tissu avait une symétrie de rotation sextuple et ressemblait un peu à un pavage d’hexagones écrasés. Mais lorsqu’ils ont examiné des groupes de plus de 10 cellules environ, une double symétrie de rotation est apparue. Les résultats expérimentaux concordaient parfaitement avec les simulations de Carenza.

"C'était assez étonnant de voir à quel point les données expérimentales et la simulation numérique correspondaient", a déclaré Eckert. En fait, cela correspondait si étroitement que la première réponse de Carenza fut que ce devait être faux. L'équipe craignait en plaisantant qu'un pair évaluateur puisse penser qu'elle avait triché. "C'était vraiment magnifique", a déclaré Carenza.

Les observations répondent à une « question de longue date sur le type d’ordre présent dans les tissus », a déclaré Josué Shaevitz, un physicien de l'Université de Princeton qui a examiné l'article (et ne pensait pas qu'ils avaient triché). La science « devient souvent trouble », a-t-il déclaré, lorsque les données pointent vers des vérités apparemment contradictoires – dans ce cas, les symétries imbriquées. « Ensuite, quelqu'un souligne ou montre que, eh bien, ces choses ne sont pas si distinctes. Ils ont tous les deux raison.

Forme, force et fonction

Définir avec précision la symétrie d’un cristal liquide n’est pas seulement un exercice mathématique. En fonction de sa symétrie, le tenseur de contraintes d'un cristal (une matrice qui capture la façon dont un matériau se déforme sous contrainte) est différent. Ce tenseur est le lien mathématique avec les équations de la dynamique des fluides que Giomi voulait utiliser pour relier les forces physiques et les fonctions biologiques.

Appliquer la physique des cristaux liquides aux tissus est une nouvelle façon de comprendre le monde compliqué et désordonné de la biologie, a déclaré Hirst.

Les implications précises du transfert de l'ordre hexatique à l'ordre nématique ne sont pas encore claires, mais l'équipe soupçonne que les cellules pourraient exercer un certain contrôle sur cette transition. Il y a même preuve que l'émergence de l'ordre nématique a quelque chose à voir avec l'adhésion cellulaire, ont-ils déclaré. Comprendre comment et pourquoi les tissus manifestent ces deux symétries entrelacées est un projet pour l’avenir – bien que Giomi travaille déjà à utiliser les résultats pour comprendre comment les cellules cancéreuses circulent dans le corps lorsqu’elles métastasent. Et Shaevitz a noté que la cristallinité liquide multi-échelles d'un tissu pourrait être liée à l'embryogenèse – le processus par lequel les embryons se transforment en organismes.

S'il y a une idée centrale en biophysique tissulaire, dit Giomi, c'est que la structure donne naissance à des forces, et que les forces donnent naissance à des fonctions. En d’autres termes, le contrôle de la symétrie multi-échelle pourrait faire partie de la façon dont les tissus totalisent plus que la somme de leurs cellules.

Il existe « un triangle de forme, de force et de fonction », a déclaré Giomi. "Les cellules utilisent leur forme pour réguler les forces, qui à leur tour servent de moteur à la fonctionnalité mécanique."

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