Voyage aux frontières de la physique avec la biologie

A la croi­sée de la phy­sique et de la bio­lo­gie se trouve la bio­phy­sique cel­lu­laire qui consi­dère la cel­lule certes pro­gram­mée par ses gènes, mais aus­si comme un maté­riau mou, défor­mable, et actif que l’on peut étu­dier par simu­la­tion. On peut ain­si ana­ly­ser les cel­lules sous contraintes, comme dans une tumeur ou mimer le mou­ve­ment d’une bac­té­rie dans une cellule. 

Les mou­ve­ments et les défor­ma­tions cel­lu­laires ont tou­jours fas­ci­né bio­lo­gistes et phy­si­ciens, et ces deux com­mu­nau­tés ont tou­jours été de front pour com­prendre les obser­va­tions du « vivant ». 

En par­ti­cu­lier, Robert Brown en 1827 observe que des par­ti­cules de pol­len en solu­tion dans l’eau sont ani­mées d’un mou­ve­ment inces­sant. Le contexte his­to­rique de cette décou­verte aide à com­prendre dans quelles dis­po­si­tions intel­lec­tuelles étaient Brown et ses col­lègues et com­ment leur rai­son­ne­ment s’est d’abord enga­gé dans la voie d’une « force vivante » de ces par­ti­cules de pol­len ani­mées, qui se sont révé­lées ensuite être par­fai­te­ment inertes. 

PAS DE « FORCE VIVANTE » DANS LE MOUVEMENT BROWNIEN

Le début du XIX^e siècle voit en effet naître la « théo­rie cel­lu­laire » selon laquelle tout être vivant est for­mé de cel­lules vivantes. Le même Robert Brown observe des tis­sus vivants à l’aide des micro­scopes optiques de plus en plus per­for­mants, et il est d’ailleurs le pre­mier à décrire dans des cel­lules ani­males la pré­sence d’une masse sombre et arron­die, le noyau (d’abord appe­lé nucléo­plasme), en 1831. 

Ce n’est fina­le­ment qu’à la fin des années 1880 que des expé­riences plus sys­té­ma­tiques montrent que le mou­ve­ment est plus rapide lorsque la taille des par­ti­cules est plus petite, et que le mou­ve­ment est ralen­ti dans un sol­vant plus visqueux. 

Ensuite, au début du XX^e siècle, avec Ein­stein en 1905 et Jean Per­rin en 1908, on com­prend que ces par­ti­cules appa­raissent plus agi­tées lorsqu’on aug­mente la tem­pé­ra­ture : l’énergie ther­mique (quelques k_BT, i.e. quelque 4 10^-21 joules) est trans­fé­rée à ces petits objets en solu­tion sous forme d’énergie ciné­tique, et c’est pour­quoi ils sont en mou­ve­ment, appe­lé « mou­ve­ment brownien ». 

De nou­velles obser­va­tions sur les cel­lules animent actuel­le­ment les com­mu­nau­tés de bio­lo­gistes et de phy­si­ciens, en par­ti­cu­lier avec les pro­grès extra­or­di­naires, ces der­nières décen­nies, des tech­niques de micro­sco­pie et de la connais­sance de la géné­tique, et donc des molé­cules qui com­posent le vivant. 

Les vingt der­nières années ont vu les phy­si­ciens enva­hir les labo­ra­toires de bio­lo­gie pour s’attaquer à com­prendre la moti­li­té cel­lu­laire (moti­li­té : mou­ve­ment d’un orga­nisme vivant), la défor­ma­bi­li­té des cel­lules, et leur capa­ci­té à répondre à des sol­li­ci­ta­tions mécaniques. 

S’INSPIRER DE LA « MATIÈRE MOLLE »

Ces nou­veaux venus ont une approche dif­fé­rente de leurs récents pré­dé­ces­seurs, qui ont intro­duit dans les sciences du vivant les rayons X, les lasers, les IRM, les ultra­sons, main­te­nant cou­ram­ment uti­li­sés dans les hôpi­taux et les labo­ra­toires. Cette nou­velle vague de phy­si­ciens est issue de la « matière molle ». 

Ce ne sont pas tant des nou­veaux outils que ces phy­si­ciens apportent dans les labo­ra­toires de bio­lo­gie cel­lu­laire, mais une nou­velle manière de pen­ser, dif­fé­rente de l’approche pure­ment géné­tique, pre­nant plu­tôt en compte les pro­prié­tés d’autoassemblage des pro­téines, les pro­prié­tés méca­niques de ces assem­blages, leur capa­ci­té à se réor­ga­ni­ser, se défor­mer, s’adapter.

Deux approches se sont déve­lop­pées, dans ce cadre : l’une consiste à mani­pu­ler direc­te­ment les cel­lules par des méthodes méca­niques et en ana­ly­ser les consé­quences sur leur com­por­te­ment ; l’autre à recons­ti­tuer les fonc­tions cel­lu­laires à par­tir d’éléments purifiés. 

DU COMPLEXE AU SIMPLE, ET VICE-VERSA

Dans la pre­mière approche, on suit les réponses méca­niques des cel­lules sou­mises à des contraintes externes contrô­lées. Il s’agit alors de mar­quer, sur­ex­pri­mer, inhi­ber ou même éli­mi­ner des élé­ments connus et obser­ver com­ment la cel­lule change de forme, modi­fie son mou­ve­ment. La cel­lule est alors « sim­pli­fiée » peu à peu, et l’effet de ces alté­ra­tions est caractérisé. 

Cette approche, nom­mée top-down, pré­sente l’avantage d’utiliser la cel­lule entière et de res­ter proche de la réa­li­té com­plexe. Le seul désa­van­tage est qu’il est dif­fi­cile d’extraire la contri­bu­tion exacte de chaque com­po­sant, en inter­ac­tion avec la multitude. 

La deuxième approche est inver­sée et, par consé­quent, appe­lée approche ascen­dante ou bot­tom-up. Elle s’inspire de la célèbre cita­tion du phy­si­cien Richard Feyn­man : What I can­not create I do not unders­tand, et consiste à recréer le com­por­te­ment des cel­lules par l’addition suc­ces­sive de com­po­sants puri­fiés et identifiés. 

La construc­tion d’un sys­tème recons­ti­tué, éga­le­ment appe­lé sys­tème bio­mi­mé­tique, est conçue pour repro­duire chaque module de la cel­lule individuellement. 

Cette approche bio­mi­mé­tique conduit à un sys­tème expé­ri­men­tal par­fai­te­ment contrô­lé et per­met des mesures quan­ti­ta­tives dans des condi­tions bien maî­tri­sées, à par­tir des­quelles des modèles théo­riques peuvent être déve­lop­pés et des pré­vi­sions phy­siques ou méca­niques peuvent être validées. 

À LA BASE DE LA DÉFORMABILITÉ DE NOS CELLULES : LE CYTOSQUELETTE

Nos cel­lules sont consti­tuées, sim­ple­ment, d’une mem­brane (bicouche de lipides tête-bêche) qui ren­ferme le cyto­plasme. Elles ont la capa­ci­té de main­te­nir leur struc­ture et leur inté­gri­té, mais peuvent éga­le­ment chan­ger de forme tout au long de leur vie. 

Ces chan­ge­ments de forme se pro­duisent au cours de fonc­tions cel­lu­laires telles que la cir­cu­la­tion, la moti­li­té ou la cyto­ci­nèse qui cor­res­pond à l’étape ultime de la divi­sion cellulaire. 

Les défor­ma­tions cel­lu­laires sont dues à l’activité de bio­po­ly­mères ou fila­ments cyto­plas­miques consti­tuant ce qui est appe­lé le « cytos­que­lette », étroi­te­ment cou­plé aux mem­branes cel­lu­laires. Le cytos­que­lette s’autoassemble et se désas­semble en per­ma­nence à l’intérieur des cel­lules en uti­li­sant l’énergie bio­chi­mique de la cel­lule : l’adénosine tri­phos­phate (ATP) qui est hydro­ly­sée en adé­no­sine diphos­phate (ADP).

Ce cytos­que­lette est donc une archi­tec­ture cel­lu­laire dyna­mique, en constante réor­ga­ni­sa­tion, per­met­tant des chan­ge­ments de forme des cel­lules pen­dant leur durée de vie ou en réac­tion à des signaux envi­ron­ne­men­taux. Le cytos­que­lette est com­po­sé de trois familles. 

Celle qui nous inté­res­se­ra dans cet article est consti­tuée de fila­ments d’actine ou micro­fi­la­ments. Une autre famille du cytos­que­lette est celle des micro­tu­bules qui sont des fila­ments creux, com­po­sés de 13 pro­to­fi­la­ments, lar­ge­ment uti­li­sés comme pistes dans le tra­fic de cel­lules. La der­nière famille est celle des fila­ments inter­mé­diaires, moins bien connus, mais qui ont un rôle dans la méca­nique des cel­lules et en par­ti­cu­lier la méca­nique de l’enveloppe nucléaire. 

SE PROPULSER EN PROJETANT DES FILAMENTS D’ACTINE

La mem­brane est le site de nom­breuses réac­tions bio­chi­miques, en par­ti­cu­lier pour l’activation de la poly­mé­ri­sa­tion des fila­ments d’actine. Le mou­ve­ment cel­lu­laire repose prin­ci­pa­le­ment sur la dyna­mique de ces filaments. 

À l’avant de la cel­lule, des réseaux de fila­ments d’actine rami­fiés et reliés entre eux sont le prin­ci­pal moteur du mou­ve­ment cel­lu­laire puisqu’ils poussent la mem­brane cel­lu­laire par poly­mé­ri­sa­tion contre elle. Une mince couche de fila­ments d’actine, appe­lée le cor­tex cel­lu­laire, recouvre la mem­brane plas­mique à l’arrière et sur les côtés de la cel­lule, ce qui est impor­tant pour le main­tien et les chan­ge­ments de forme cellulaire. 

Le reste de la cel­lule contient un réseau tri­di­men­sion­nel de fila­ments entre­cou­pés de fais­ceaux contrac­tiles, qui relient le cytos­que­lette cel­lu­laire à la matrice extracel­lu­laire via des sites d’adhérence.

La contrac­tion dans la cel­lule est pro­duite par des moteurs molé­cu­laires qui pro­voquent un glis­se­ment des fila­ments d’actine les uns par rap­port aux autres, et donc une contrac­tion glo­bale du cor­tex cel­lu­laire, met­tant ain­si les cel­lules sous tension. 

La migra­tion cel­lu­laire s’adapte à son envi­ron­ne­ment par la coor­di­na­tion des trois étapes de la moti­li­té, et tan­dis que la moti­li­té cel­lu­laire per­met­tant aux cel­lules de « ram­per » sur la matrice extracel­lu­laire repose essen­tiel­le­ment sur les deux pre­mières étapes, la moti­li­té cel­lu­laire per­met­tant aux cel­lules de pas­ser au tra­vers de petits inter­stices repose prin­ci­pa­le­ment sur la troi­sième étape, où la contrac­ti­li­té a un rôle crucial. 

DES « MICROPATRONS » POUR MESURER LA MOTILITÉ

Les « perles de saveurs » sont uti­li­sées dans les plats raf­fi­nés des plus grands cui­si­niers. © M.STUDIO / FOTOLIA.COM

BIOPHYSIQUE ET GASTRONOMIE

Les boules d’alginate sont très largement utilisées en ingénierie alimentaire, pour ce qui s’appelle les « perles de saveurs », que vous trouvez dans les plats raffinés des plus grands cuisiniers. Ces perles de saveurs sont de petites sphères gélifiées (pellicule d’alginate : dérivé de l’algue Kombu) contenant un cœur liquide qui se décline en multiples saveurs. Elles éclatent en bouche et libèrent ces saveurs.

Com­ment se com­portent les cel­lules une fois sou­mises à des contraintes méca­niques externes ? Quels sont les assem­blages internes du cytos­que­lette qui per­mettent aux cel­lules de s’adapter à ces contraintes méca­niques ? Sachant que les cel­lules can­cé­reuses, au sein des tumeurs, sont jus­te­ment sous contrainte méca­nique, com­ment pour­rait-on étu­dier leur com­por­te­ment hors d’une tumeur, mais dans des condi­tions contrô­lées qui repro­duisent celles des tumeurs ? 

Les cher­cheurs ont mis au point, pour répondre à ces ques­tions, des tech­niques de « micro­pa­trons » (figure 1, gauche), consis­tant à mettre les cel­lules au contact de dif­fé­rentes formes pré­dé­fi­nies, comme des tri­angles, des formes en V, T, Y et U. De la fibro­nec­tine, une pro­téine d’adhésion, une sorte de colle pour cel­lule, per­met aux cel­lules d’adhérer spé­ci­fi­que­ment sur ces patrons, alors que le reste de la sur­face est trai­té par un antiadhésif. 

Un mar­quage des pro­téines du cytos­que­lette montre bien, sur la figure 1 (gauche), que des fais­ceaux d’actine se forment et ont une struc­ture dif­fé­rente sui­vant les dif­fé­rents patrons. 

La vin­cu­line, qui per­met de faire le lien entre les fila­ments d’actine et la colle extracel­lu­laire (la fibro­nec­tine), se trouve aux extré­mi­tés des fais­ceaux de fila­ments d’actine, per­met­tant ain­si aux cel­lules d’épouser la forme du patron. 

La forme des fais­ceaux d’actine, leur den­si­té, mesu­rées par l’intensité de leur fluo­res­cence, la taille des zones d’adhésion, per­mettent d’en déduire la force exer­cée par la cel­lule, qui est obser­vée comme étant pro­por­tion­nelle à la quan­ti­té de pro­téines pré­sentes dans les zones d’adhésion. Ces expé­riences per­mettent donc de quan­ti­fier les forces exer­cées par le cytos­que­lette en rela­tion avec l’adhésion.

OÙ L’ON JOUE AUX BOULES CELLULAIRES

Une autre approche, cette fois-ci pour mimer des cel­lules tumo­rales en crois­sance, est de confi­ner un groupe de cel­lules dans des boules d’alginate.

Ces boules sont bio­com­pa­tibles, et peuvent être uti­li­sées pour confi­ner des cel­lules et les mettre sous contrainte comme elles le sont dans une tumeur (figure 1, droite). 

Ain­si, cette figure illustre com­ment un agré­gat de cel­lules « libres » se com­porte dif­fé­rem­ment d’un agré­gat de cel­lules confi­nées dans une pel­li­cule d’alginate. On observe en par­ti­cu­lier que les cel­lules se divisent plus rapi­de­ment (leur nombre croît plus vite) quand elles sont contraintes que quand elles sont libres. 

Éga­le­ment, on observe que la pro­téine d’adhésion, la fibro­nec­tine, est sécré­tée par les cel­lules libres au sein de l’agrégat, mais pas par les cel­lules confi­nées. Ce genre d’approche per­met de déter­mi­ner, dans des condi­tions expé­ri­men­tales contrô­lées, les dif­fé­rences de com­por­te­ment des cel­lules contraintes comme dans une tumeur. 

RETOUR VERS LA PHYSIQUE DES POLYMÈRES

La dyna­mique des fila­ments d’actine et la méca­nique des réseaux d’actine ont, en retour, ouvert des voies pour la phy­sique des poly­mères, car les fila­ments d’actine pré­sentent un avan­tage sur les poly­mères chi­miques : ils font quelques micro­mètres de long et peuvent être visua­li­sés sim­ple­ment en micro­sco­pie optique, ce qui n’est pas le cas des poly­mères chi­miques, pour les­quels il faut uti­li­ser de grands ins­tru­ments (rayons X, neutrons). 

À leur sur­face, les bac­té­ries Lis­te­ria mono­cy­to­genes sont capables de nucléer la crois­sance de fila­ments d’actine. © SAGITTARIA / FOTOLIA.COM

Les pro­prié­tés méca­niques des réseaux d’actine se sont révé­lées très frap­pantes, car elles dépendent de l’échelle de temps à laquelle les échan­tillons sont observés. 

En effet, alors que les réseaux d’actine sont élas­tiques à temps court (moins de quelques secondes), ils ont la pro­prié­té de s’écouler comme un liquide sur un plus long temps. Ce com­por­te­ment est appe­lé vis­co­élas­tique » et se retrouve aus­si dans les cellules. 

Au-delà de leurs pro­prié­tés méca­niques éton­nantes, les réseaux d’actine ont la capa­ci­té de se for­mer à la sur­face interne de la mem­brane cel­lu­laire, en poly­mé­ri­sant à par­tir de sites de nucléa­tion. C’est ain­si que ces fila­ments « poussent » la mem­brane cel­lu­laire vers l’avant pour le dépla­ce­ment de la cel­lule, ain­si que nous l’avons évo­qué plus haut. 

Ce type de mou­ve­ment ou « moti­li­té » par poly­mé­ri­sa­tion de l’actine est détour­né par des bac­té­ries patho­gènes qui enva­hissent nos cel­lules : les bac­té­ries Lis­te­ria mono­cy­to­genes. À leur sur­face, ces bac­té­ries sont capables de nucléer la crois­sance de fila­ments d’actine, de la même manière que cela se pro­duit à la mem­brane cellulaire. 

Ces bac­té­ries détournent donc la machi­ne­rie cel­lu­laire pour leur propre pro­fit, celui de se dépla­cer dans nos cel­lules et enva­hir les cel­lules avoi­si­nantes par leur mou­ve­ment pénétrant. 

Elles consti­tuent un sys­tème expé­ri­men­tal de choix pour étu­dier le méca­nisme de « mou­ve­ment par poly­mé­ri­sa­tion d’actine », qui a fas­ci­né les bio­phy­si­ciens. Un tel mou­ve­ment n’avait jamais été ni conçu ni obser­vé avec des poly­mères chi­miques ou des macromolécules. 

Dès qu’elle entre dans une cel­lule, la bac­té­rie sti­mule donc la poly­mé­ri­sa­tion de l’actine à sa sur­face. Les fila­ments forment alors une sorte de comète bien visible (une dizaine de micro­mètres de long) à l’arrière de la bac­té­rie qui devient capable – grâce à la force géné­rée par la crois­sance des fila­ments d’actine – de se dépla­cer (60 micro­mètres par minute est le record abso­lu), de défor­mer la mem­brane plas­mique et de pas­ser dans une autre cellule. 

LES CHERCHEURS « MIMENT » LE MOUVEMENT DES BACTÉRIES

Nous nous sommes dit que, puisque aucune pro­téine de la bac­té­rie – hor­mis le nucléa­teur de poly­mé­ri­sa­tion de l’actine – n’était néces­saire, nous pou­vions uti­li­ser des sys­tèmes bio­mi­mé­tiques capables de « mimer », dans des condi­tions in vitro, le mou­ve­ment de la bac­té­rie dans une cel­lule. Nous avons donc rem­pla­cé les bac­té­ries par des micro­billes de latex. 

Une avan­cée consi­dé­rable pour des phy­si­ciens, désor­mais aptes à faire varier un grand nombre de para­mètres tant pour la bille (taille du rayon, dure­té) que pour le maté­riel bio­lo­gique (nucléa­teur, milieu cellulaire). 

En pla­çant les billes dans un extrait cyto­plas­mique, on peut en effet obser­ver un nuage de fila­ments d’actine pous­ser et s’accumuler autour de la bille d’une façon symé­trique puis visua­li­ser la bille faire une per­cée dans le nuage et être pro­pul­sée comme les bac­té­ries (figure 2). 

Plu­sieurs approches montrent aujourd’hui que ce sont les pro­prié­tés élas­tiques du bio­po­ly­mère – des fila­ments d’actine orga­ni­sés en véri­tables réseaux, ain­si que des filets de pêche à 3 dimen­sions, ou des réseaux de poly­mères – qui exercent une pres­sion sur la bille. L’élasticité du réseau en train de se fabri­quer à la sur­face de la bille pousse l’objet vers l’avant.

Nous n’en sommes pas res­tés là : nous avons joué sur la dure­té de la bille. Que se passe-t-il en effet si la bille devient molle et défor­mable ? Pour cela, nous avons répé­té la même expé­rience, mais en uti­li­sant tout sim­ple­ment de l’huile de cui­sine sur laquelle nous avons réus­si à gref­fer le fameux nucléa­teur de la poly­mé­ri­sa­tion de l’actine.

Les fila­ments d’actine font quelques micro­mètres de long et peuvent être visua­li­sés sim­ple­ment en micro­sco­pie optique. © LAVIEJASIRENA / FOTOLIA.COM

Nous obser­vons alors que la bille se déforme sous l’effet de cette pres­sion du réseau d’actine. C’est grâce à ce type d’expérience que l’on peut réus­sir à obte­nir des don­nées quan­ti­ta­tives (force, module élas­tique, den­si­té, etc.), but de tout phy­si­cien tra­vaillant sur les pro­blé­ma­tiques biologiques. 

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