Un modèle mathématique relie l'évolution des poules, des poissons et des grenouilles.

6 décembre 2023

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par Michelle Franklin, Université de Californie - San Diego

Une des questions fondamentales les plus durables de la vie est : Comment cela se produit-il ? Par exemple, lors du développement humain, comment les cellules s'auto-organisent-elles en peau, en muscles ou en os ? Comment forment-elles un cerveau, un doigt, une colonne vertébrale ?

Bien que les réponses à de telles questions restent inconnues, une ligne d'investigation scientifique consiste à comprendre la gastrulation - le stade auquel les cellules embryonnaires se développent à partir d'une seule couche pour former une structure multidimensionnelle avec un axe corporel principal. Chez l'homme, la gastrulation se produit environ 14 jours après la conception.

Il n'est pas possible d'étudier les embryons humains à ce stade, c'est pourquoi des chercheurs de l'Université de Californie San Diego, de l'Université de Dundee (Royaume-Uni) et de l'Université Harvard ont pu étudier la gastrulation chez des embryons de poulet, qui présentent de nombreuses similitudes avec les embryons humains à ce stade.

Cette recherche a été menée grâce à ce que Mattia Serra, professeur adjoint de physique à l'UC San Diego, appelle une boucle idéale : une combinaison interdisciplinaire entre science théorique et expérimentale en va-et-vient. Mattia est un théoricien intéressé par la recherche de motifs émergents dans les systèmes biophysiques complexes.

Ici, lui et son équipe ont développé un modèle mathématique basé sur les informations fournies par les biologistes de l'Université de Dundee. Le modèle a pu prédire avec précision les flux de gastrulation - le mouvement de dizaines de milliers de cellules dans l'ensemble de l'embryon de poulet - observés sous un microscope. C'est la première fois qu'un modèle mathématique auto-organisateur parvient à reproduire ces flux chez les embryons de poulet.

Les biologistes souhaitaient ensuite voir si le modèle pouvait non seulement reproduire ce qu'ils savaient expérimentalement être vrai, mais aussi prédire ce qui pourrait se produire dans différentes conditions. L'équipe de Serra a "perturbé" le modèle, c'est-à-dire a modifié les conditions initiales ou les paramètres présents.

Les résultats étaient surprenants : le modèle a généré des flux cellulaires qui n'étaient pas observés naturellement chez les poussins, mais qui étaient observés chez deux autres espèces de vertébrés - la grenouille et le poisson.

Pour s'assurer que ces résultats n'étaient pas une fantaisie mathématique du modèle, des collaborateurs en biologie ont reproduit exactement les perturbations du modèle en laboratoire sur l'embryon de poulet. Étonnamment, ces embryons de poulet manipulés ont également montré des flux de gastrulation observés naturellement chez les poissons et les grenouilles.

Ces découvertes, publiées dans Science Advances, suggèrent que les mêmes principes physiques sous-jacents à l'auto-organisation multicellulaire ont pu évoluer chez les espèces de vertébrés.

"Les poissons, les grenouilles et les poussins vivent tous dans des environnements différents, donc avec le temps, la pression évolutive a pu modifier les paramètres et les conditions initiales du développement embryonnaire", a déclaré Serra. "Mais certains des principes fondamentaux d'auto-organisation, du moins à ce stade précoce de la gastrulation, peuvent être les mêmes chez les trois espèces."

Serra et ses collaborateurs étudient maintenant d'autres mécanismes qui donnent lieu à des schémas d'auto-organisation à l'échelle de l'embryon. Ils espèrent que cette recherche pourrait contribuer à la conception de biomatériaux et à la médecine régénérative pour aider les êtres humains à vivre plus longtemps et en meilleure santé.

"Le corps humain est le système dynamique le plus complexe qui existe", a-t-il déclaré. "Il y a tellement de questions biologiques, physiques et mathématiques intéressantes sur nos corps - c'est magnifique à contempler. Il n'y a pas de fin aux découvertes que nous pouvons faire."

Informations sur la revue : Science Advances

Fourni par l'Université de Californie - San Diego