Les lois de la thermodynamique ne rendent pas compte avec précision des processus complexes dans les cellules vivantes. En avons-nous besoin d'une nouvelle pour mesurer avec précision les déséquilibres des systèmes vivants ?
Une cellule HeLa en télophase, stade auquel les chromosomes se sont séparés
La physique de la thermodynamique, qui implique des quantités telles que la chaleur et l'entropie, offre des outils bien établis pour déterminer à quelle distance de l'équilibre se trouve un système idéalisé de particules. Mais lorsqu’il s’agit de la vie, avec ses cellules complexes interconnectées, il n’est pas sûr que notre ensemble actuel de lois thermodynamiques soit suffisant – et un ensemble d’expériences impliquant des cellules humaines pourrait constituer un premier pas vers la création d’une nouvelle.
La thermodynamique est importante pour la vie, car le déséquilibre est l’une de ses propriétés clés. Mais comme les cellules sont remplies de molécules qui consomment activement de l’énergie, leur état est différent, par exemple, de celui d’un groupe de billes flottant dans un liquide. Par exemple, les cellules biologiques ont ce qu’on appelle un point de consigne, ce qui signifie qu’elles se comportent comme si elles suivaient un thermostat interne. Il existe un mécanisme de rétroaction qui les ramène au point de consigne, ce qui leur permet de continuer à fonctionner. C’est ce type de comportement qui n’est peut-être pas facilement capté par la thermodynamique classique.
N Narinder et Elisabeth Fischer-Friedrich de l'Université technologique de Dresde en Allemagne voulaient comprendre en détail en quoi le déséquilibre dans les systèmes vivants diffère de l'état de déséquilibre dans un système non vivant. Ils l’ont fait avec des cellules humaines HeLa – une lignée de cellules cancéreuses couramment utilisées dans la recherche scientifique qui ont été prélevées sans consentement sur une femme afro-américaine appelée Henrietta Lacks dans les années 1950.
Tout d’abord, les chercheurs ont utilisé des produits chimiques pour arrêter les cellules à mi-chemin de la division cellulaire, puis ont sondé leurs membranes externes avec la pointe d’un microscope à force atomique, qui peut interagir avec précision avec des objets d’une largeur d’une fraction seulement d’un nanomètre. Cela a permis d'évaluer plus facilement la manière dont la membrane de chaque cellule fluctuait (à quel point la pointe du microscope bougeait) et comment ces fluctuations changeaient lorsque les chercheurs interféraient avec certains processus cellulaires, comme l'interruption de la transformation de certaines molécules ou le mouvement de certaines protéines.
Ils ont découvert que, pour ces fluctuations, une « recette » thermodynamique standard qui expliquerait le comportement d'un système non vivant n'était plus totalement précise. Plus précisément, la notion de « température effective » s’est révélée imprécise. Il s’agit d’une idée destinée à capturer quelque chose de similaire à notre compréhension de la façon dont la température augmente lorsque nous déséquilibrons un système comme une casserole d’eau en le chauffant.
Mais les chercheurs ont conclu qu'une quantité plus utile pour capturer le degré de déséquilibre de la vie est une propriété appelée « asymétrie d'inversion du temps ». Cela explore dans quelle mesure un processus biologique donné – par exemple, des molécules se connectant de manière répétée à des molécules plus grosses avant de se diviser à nouveau – différerait s’il se déroulait en arrière plutôt qu’en avant dans le temps. La présence d'une asymétrie d'inversion du temps pourrait être directement liée au fait que les processus biologiques servent un objectif tel que la survie et la prolifération, explique Fischer-Friedrich.
« Nous savons en biologie qu'il existe de nombreux processus qui dépendent réellement du déséquilibre d'un système, mais il est en réalité important de savoir dans quelle mesure un système est hors d'équilibre », explique Chase Broedersz de la Vrije Universiteit Amsterdam aux Pays-Bas. La nouvelle étude identifie de nouveaux outils précieux pour cerner ce problème, dit-il.
Il s'agit d'une étape importante vers l'amélioration de notre compréhension des systèmes biologiques actifs, déclare Yair Shokef de l'Université de Tel Aviv en Israël. Il dit que le fait que l'équipe ait pu mesurer expérimentalement non seulement l'asymétrie d'inversion du temps, mais aussi plusieurs autres mesures de non-équilibre à la fois, est à la fois nouveau et utile.
Cependant, nous devrons peut-être franchir de nombreuses étapes supplémentaires si nous voulons comprendre la vie à travers les principes thermodynamiques. Fischer-Friedrich dit qu'en fin de compte, l'équipe souhaite dériver quelque chose qui s'apparente à une quatrième loi de la thermodynamique qui ne s'applique qu'à la matière vivante où les processus ont un point de consigne. Ils travaillent déjà à l’identification d’observables physiologiques – des éléments particuliers à mesurer dans les cellules – à partir desquels l’élaboration d’une telle loi pourrait commencer.
