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The mechanics and transport of the active cytoskeleton in biomimetic and living cellular systems

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Le mouvement interne et externe des cellules vivantes

Le transport intracellulaire de molécules et d'organites joue un rôle essentiel pour de nombreuses fonctions cellulaires comme la migration ou la division. Des recherches financées par l'Union européenne ont étudié comment ce processus crucial pouvait être lié à la propagation métastatique du cancer.

Recherche fondamentale

Le transport intracellulaire peut être généré par des moteurs moléculaires, des fluctuations cytosquelettiques ou les mouvements du cytoplasme. L'interaction du cytosquelette avec le cytoplasme et le cortex cellulaire constitue un facteur clé pour la compréhension du mouvement des composants cellulaires. Les interactions entre le cortex et cytosquelette étant mal connues, le projet BIOMIMETIC-MECHANICS a pu caractériser la mécanique de ce cytosquelette dans les systèmes biomimétiques et les systèmes vivants. Les travaux réalisés par les partenaires du projet ont permis le développement du cadre théorique et expérimental nécessaire à la caractérisation de l'activité en déséquilibre des cellules vivantes ou d'autres systèmes biomimétiques. Les chercheurs ont également optimisé des protocoles de mesure par pince optique dans les systèmes biomimétiques et les cellules vivantes, et pour les expériences de mesure de force sur les systèmes biomimétiques et le développement d'ovocytes murins. Afin de mettre en évidence l'importance de la diffusion active, une force capable de déplacer de grands organites, les partenaires du projet ont étudié le positionnement du noyau central dans les ovocytes de souris. C’est le centrosome qui détermine normalement le centroïde cellulaire mais les ovocytes n'en possèdent pas. En utilisant l'imagerie en temps réel, les chercheurs ont pu montrer comment la diffusion active des vésicules enrobées d'actine, entraînées par la myosine-Vb, pouvait générer un gradient de pression et une force de propulsion suffisante pour déplacer le noyau de l'ovocyte en rendant le cytoplasme plus fluide. La structure et la forme des cellules vivantes sont principalement déterminées par les filaments de ce biopolymère et les moteurs moléculaires du cytosquelette. La mécanique d’une cellule active incorpore la génération active de forces à l'échelle moléculaire dans le cadre de la mécanique des matériaux. En s’appuyant sur le cadre de Langevin, les chercheurs ont ainsi mesuré les forces mécaniques intracellulaires afin d’obtenir une bonne compréhension quantitative de l'activité mécanique hors équilibre dans les cellules vivantes. Comme les organismes vivants sont généralement des systèmes en déséquilibre permanent, l'équipe a utilisé un modèle microscopique pour prédire la quantité d'énergie mécanique produite dans une telle dynamique. En suivant les vésicules de taille micronique dans le cytoplasme des ovocytes, ils ont pu mesurer le spectre de l'énergie dissipée. Le modèle est en ligne avec les données expérimentales et pourra être utilisé pour prédire le niveau d’apport et de dissipation d'énergie impliqué dans ces fluctuations actives. Les travaux du projet BIOMIMETIC-MECHANICS constituent ainsi une base de connaissances remarquable pour comprendre comment les principes de la mécanique affectent la motilité et la division cellulaire. En s’appuyant sur ces résultats, la prochaine étape pourrait bien se concrétiser par le développement en phase clinique de nouveaux traitements anticancéreux.

Mots‑clés

Cellules vivantes, transport intracellulaire, cytosquelette, BIOMIMETIC-MECHANICS, mécanique

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