Larve d'annélide marin Platynereis dumeriliimicrographie électronique à balayage (échelle de taille : 100 µm). Crédit : Luis Zelaya-Lainez, Université technique de Vienne
Une meilleure compréhension de ce processus de formation naturel offre un potentiel de développements techniques.
Une nouvelle étude interdisciplinaire menée par le biologiste moléculaire Florian Raible des laboratoires Max Perutz de l'université de Vienne fournit des informations passionnantes sur les soies du ver annélide marin Platynereis dumerilii. Des cellules spécialisées, appelées chaetoblastes, contrôlent la formation des soies. Leur mode de fonctionnement est étonnamment similaire à celui d'une imprimante 3D technique. Le projet est le fruit d'une collaboration avec des chercheurs de l'université d'Helsinki, de l'université technique de Vienne et de l'université Masaryk de Brno. L'étude a récemment été publiée dans la célèbre revue scientifique Nature Communications.
Imprimante 3D de la nature : les vers à soies forment des soies pièce par pièce
La chitine est le principal matériau de construction de l'exosquelette des insectes et des soies des vers à soies tels que le ver annélide marin. Platynereis dumerilii. Les vers à soies possèdent cependant une chitine un peu plus molle – la soi-disant chitine bêta – qui est particulièrement intéressante pour les applications biomédicales. Les soies permettent aux vers de se déplacer dans l’eau.
La manière dont la chitine se transforme en poils distincts est restée jusqu'à présent énigmatique. Une nouvelle étude apporte désormais un aperçu passionnant de cette biogenèse particulière.
Florian Raible explique : « Le processus commence par la pointe du poil, puis par la partie centrale et enfin par la base du poil. Les pièces finies sont poussées de plus en plus loin hors du corps. Dans ce processus de développement, les unités fonctionnelles importantes sont créées les unes après les autres, pièce par pièce, ce qui est similaire à l'impression 3D. »
Comparaison entre l’impression 3D « biologique » (à gauche) et « technologique » (à droite). Crédit : Claudia Amort, Studio Amort
Biogenèse des soies chez les vers marins
Une meilleure compréhension de ces processus ouvre également un potentiel pour le développement de futurs produits médicaux ou pour la production de matériaux naturellement dégradables. La bêta-chitine issue de la carapace dorsale du calmar, par exemple, est actuellement utilisée comme matière première pour la production de pansements particulièrement bien tolérés. « Peut-être qu’à l’avenir, il sera également possible de produire ce matériau à partir de cellules d’annélides », explique Raible.
Différents segments des soies de l'annélide marin Platynereis dumerilii. Reconstruction 3D à partir de plus de 1000 micrographies électroniques. Lame (à gauche), lame avec articulation (au centre), manche (à droite). Crédit : Ilya Belevich, Université d'Helsinki
Rôle des chaetoblastes dans la formation de la chitine
Le contexte biologique exact de ce phénomène : les chaetoblastes jouent un rôle central dans ce processus. Les chaetoblastes sont des cellules spécialisées dotées de longues structures de surface, appelées microvillosités. Ces microvillosités abritent une enzyme spécifique qui, selon les chercheurs, est responsable de la formation de la chitine, le matériau dont sont finalement constituées les soies. Les résultats des chercheurs montrent une surface cellulaire dynamique caractérisée par des microvillosités disposées de manière géométrique.
Les microvillosités individuelles ont une fonction similaire à celle des buses d’une imprimante 3D. Florian Raible explique : « Notre analyse suggère que la chitine est produite par les microvillosités individuelles de la cellule chaetoblaste. Le changement précis du nombre et de la forme de ces microvillosités au fil du temps est donc la clé pour façonner les structures géométriques des poils individuels, comme les dents individuelles sur la pointe du poil, qui sont précises jusqu’à la plage submicronique. » Les poils se développent généralement en seulement deux jours et peuvent avoir différentes formes ; selon le stade de développement du ver, ils sont plus courts ou plus longs, plus pointus ou plus plats.
Kyojiro Ikeda, premier auteur, et Florian Raible, responsable de l'étude (de gauche à droite). Crédit : Max Perutz Labs
Progrès dans les techniques d'imagerie des poils
Outre la collaboration locale avec l’Université technique de Vienne et les spécialistes en imagerie de l’Université de Brno, la coopération avec le laboratoire Jokitalo de l’Université d’Helsinki s’est avérée très bénéfique pour les chercheurs de l’Université de Vienne. En s’appuyant sur leur expertise en microscopie électronique à balayage en bloc (SBF-SEM), les chercheurs ont étudié la disposition des microvillosités dans le processus de formation des poils et ont proposé un modèle 3D pour la synthèse de la formation des poils. Le premier auteur Kyojiro Ikeda de l’Université de Vienne explique : « La tomographie électronique standard demande beaucoup de travail, car la découpe des échantillons et leur examen au microscope électronique doivent être effectués manuellement. Avec cette approche, nous pouvons cependant automatiser de manière fiable l’analyse de milliers de couches. »
Le groupe Raible travaille actuellement à l’amélioration de la résolution de l’observation afin de révéler encore plus de détails sur la biogenèse des soies.
