Une comparaison côte à côte de Lacrymarie couleur, un cilié remarquable avec son « cou » étendu et rétracté. Les chercheurs ont découvert que des plis ressemblant à des origami rendent cette transformation possible là où les microtubules définissent les plis de pliage. Crédit : Laboratoire Prakash
Des scientifiques de Stanford ont dévoilé des « lacrygames », un phénomène dans lequel Lacrymarie couleur étend considérablement sa structure, influencée par sa conception cytosquelettique, promettant des progrès dans la technologie microscopique.
« Il y a certaines choses dans la vie que vous pouvez regarder et ne jamais oublier », a déclaré Manu Prakash, professeur agrégé de bio-ingénierie à l'Université de Stanford, citant une vidéo de sa dernière fascination, l'organisme unicellulaire. Lacrymarie couleurun protiste vivant en liberté sur lequel il est tombé par hasard en train de jouer avec son Foldscope en papier. « C'est… juste… c'est fascinant. »
« Dès l'instant où Manu me l'a montré, j'ai été fasciné par cette cellule », a déclaré Eliott Flaum, un étudiant diplômé du Prakash Lab « piloté par la curiosité ». Prakash et Flaum ont passé les sept dernières années à étudier Lacrymaria olor's chaque mouvement et a récemment publié un article sur leur travail dans la revue Science.
À la découverte de la dynamique cellulaire
« La première fois que je suis revenu avec une micrographie à fluorescence, c'était tout simplement époustouflant », a déclaré Flaum. « Cette image est dans le journal. »
La vidéo que Prakash a fait la queue révèle pourquoi cet organisme est bien plus qu'une jolie image : une seule cellule en forme de larme nage dans une gouttelette d'eau d'un étang. En un instant, un « cou » long et fin dépasse de l’extrémité inférieure bulbeuse. Et ça continue. Et c'est parti. Puis, tout aussi rapidement, le cou se rétracte, comme si de rien n’était.
En quelques secondes, une cellule qui ne mesurait que 40 microns de la pointe à la queue a fait germer un cou qui s'étendait sur 1 500 microns ou plus dans le monde. C’est l’équivalent d’un humain de 6 pieds projetant sa tête à plus de 200 pieds. Tout cela à partir d'une cellule sans système nerveux.
« C'est un comportement incroyablement complexe », a déclaré Prakash avec un sourire.
La forme est une fonction
L. couleur est présenté dans la revue Science car Prakash et Flaum ont découvert dans ce comportement un nouveau mécanisme géométrique jusqu'alors inconnu en biologie. Et ils sont les premiers à expliquer comment une cellule aussi simple peut produire une morphodynamique aussi incroyable, de magnifiques pliages et dépliements – alias origami – à l’échelle d’une seule cellule, encore et encore sans faute.
C'est de la géométrie. L. olor's le comportement est codé dans sa structure cytosquelettique, tout comme le comportement humain est codé dans les circuits neuronaux.
« C'est le premier exemple d'origami cellulaire », a déclaré Prakash. « Nous envisageons de l'appeler lacrygames. »
Plus précisément, il s’agit d’un sous-ensemble de l’origami traditionnel connu sous le nom d’« origami à plis incurvés ». Tout cela repose sur une structure de microtubules minces et hélicoïdaux – des nervures qui s’enroulent à l’intérieur de la membrane cellulaire. Ces nervures microtubulaires sont enveloppées dans une délicate membrane diaphane, définissant le motif de plis des pics dans une série de plis de montagnes et de vallées.
Aperçus microstructuraux et beauté mathématique
Prakash et Flaum ont utilisé la microscopie électronique à transmission et d'autres techniques d'investigation de pointe pour montrer qu'il existe en réalité 15 de ces rubans de microtubules hélicoïdaux rigides enveloppant L. olor's membrane cellulaire – un cytosquelette. Ces tubules s'enroulent et se déroulent, conduisant à de longues projections et rétractions, s'emboîtant à nouveau sur eux-mêmes comme le soufflet d'un accordéon hélicoïdal comprimé. La membrane arachnéenne se replie à l’intérieur de la cellule en plis nets et bien définis.
« Lorsque vous stockez ainsi des plis sur l'angle hélicoïdal, vous pouvez stocker un infini quantité de matériau », a expliqué Flaum. « La biologie l'a compris. »
La géométrie est le destin
L'élégance est dans l'arithmétique. Il est mathématiquement impossible que cette structure se déploie d’une autre manière – et, inversement, elle ne peut se rétracter que d’une seule manière. Ce qui frappe peut-être plus Prakash, c’est la robustesse de l’architecture. Au cours de sa vie, L. couleur effectuera cette projection et cette rétraction 50 000 fois sans défaut. Il a dit: « L. couleur est lié par sa géométrie pour se plier et se déplier de cette manière particulière.
La clé réside dans un phénomène mathématique sous-étudié qui se produit au point précis où les côtes se tordent et où la membrane pliée commence à se déployer. C'est un singularité – un point où la structure est pliée et dépliée en même temps. C’est les deux et ni l’un ni l’autre – singulier.
Saisissant un morceau de papier, Prakash le plie en forme de cône, puis tire sur un coin du papier pour démontrer comment cette singularité (appelée cône-d) se déplace sur la feuille selon une ligne nette. Et, en repoussant sur le coin, la singularité parcourt exactement le même chemin jusqu'à sa position d'origine.
« Il se déplie et se plie à chaque fois dans cette singularité, agissant comme un contrôleur. C’est la première fois qu’un contrôleur géométrique du comportement est décrit dans une cellule vivante. Prakash a expliqué.
Biologie récréative et applications futures
Un thème constant tout au long du travail du Prakash Lab est un profond sentiment d'émerveillement et de jeu qui se traduit par la curiosité énergique nécessaire pour poursuivre une telle idée pendant si longtemps. Il s’agit, pour reprendre les termes de Prakash, d’une science de la vieille école. Il l'appelle également biologie récréative.
Pour démontrer son inspiration, Prakash a affiché un arbre généalogique d'autres organismes unicellulaires qu'il a choisi d'étudier. C'est vrai, personne ne peut faire quoi L. couleur peut le faire, dit-il. Mais ces géométries complexes se présentent sous des milliers de formes. Beau? Certes, mais chacun cache aussi sous sa manche de merveilleuses règles non écrites.
« Nous avons commencé avec un casse-tête », a expliqué Prakash avec tout le sérieux qu'un scientifique peut rassembler. « Ellie et moi avons posé une question très simple : d'où vient ce matériau ? Et où va-t-il ? Comme terrain de jeu, nous avons choisi Tree of Life. Sept ans plus tard, nous y sommes.
Quant aux applications pratiques, l’ingénieur Prakash imagine déjà une nouvelle ère de « machines vivantes » déployables à l’échelle microscopique qui pourraient tout transformer, des télescopes spatiaux aux robots chirurgicaux miniatures dans la salle d’opération.
Prakash est également chercheur principal au Stanford Woods Institute for the Environment, professeur agrégé (avec la permission) de biologie et d'océans, membre de Stanford Bio-X, de la Wu Tsai Human Performance Alliance, du Maternal & Child Health Research Institute, et l'Institut des neurosciences Wu Tsai.
Cette recherche a été financée par le Instituts nationaux de la santé, la National Science Foundation, la Moore Foundation, le Howard Hughes Medical Institute, la Schmidt Foundation et le Chan Zuckerberg Biohub San Francisco. Une partie de ces travaux a été réalisée au Cell Sciences Imaging Facility de Stanford.
