Un modèle théorique met en lumière l'impact du bruit sur la segmentation
Contrairement aux idées reçues, le contrôle du développement de structures périodiques dans l'embryon ne dépend pas des gènes mais plutôt de simples phénomènes physiques et chimiques. Cest le résultat d'une nouvelle étude réalisée en France et en Pologne, et présentée dans la revue Europhysics Letters. Les chercheurs décrivent un modèle théorique décrivant comment la segmentation est affectée par le bruit thermodynamique et interne du système. Selon les chercheurs, cette découverte va à l'encontre de des théories initiales. Des chercheurs du CNRS (Centre national de la recherche scientifique) et de l'université Pierre et Marie Curie, en collaboration avec l'institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IChF PAN), déclarent qu'au stade initial de l'embryogenèse des vertébrés, des somites (des segments périodiques) se forment dans le mésoderme dorsal. Ils se transforment progressivement en vertèbres, les éléments de la colonne vertébrale. Le modèle présenté par l'équipe montre comment le bruit interne, que l'on rencontre dans tout système physique, influence la formation des éléments périodiques. «Nous sommes convaincus que les lois de la physique et de la chimie peuvent expliquer des phénomènes biologiques et l'évolution des être vivants», déclare le Dr Bogdan Nowakowski de l'IChF PAN. «C'est pourquoi nous avons tenté de modéliser théoriquement l'un des éléments de l'embryogenèse des vertébrés, La formation des structures périodiques lors de la somitogenèse. Nous avons pour cela considéré le nombre minimal de réactions chimiques, impliquant seulement quelques composants.» Les chercheurs rappellent que la chimie d'un phénomène loin de l'équilibre conduit à des réactions oscillantes particulièrement spectaculaires. Ces réactions surviennent dans des solutions aqueuses de réactifs appropriés, avec diverses concentrations. Si l'ajout d'un composant éloigne le système de l'état d'équilibre thermodynamique, des fronts d'ondes chimiques commencent à se propager dans le liquide. Ces fronts se traduisent par des changements périodiques de couleur dans la solution. Si la réaction a lieu dans un récipient de faible profondeur, comme une boîte de Pétri, elle forme en permanence des anneaux colorés qui se propagent. Le modèle proposé par l'équipe est remarquablement direct. Il implique seulement trois réactions chimiques et quatre substances, et les paramètres sont ajustés pour induire des réactions qui conduisent à des oscillations spatiales très nettes des concentrations des composants de la solution. Il en résulte la formation de structures périodiques, stables dans le temps, les «structures de Turing». «Notre modèle est un concept totalement théorique, un signal montrant qu'une partie du phénomène survenant lors de la somitogenèse est contrôlé par des mécanismes vraiment simples», déclare le Dr Nowakowski, qui a confirmé avec ses collègues l'effet du bruit interne sur le processus en question. L'équipe rappelle que dans la nature, le bruit est une conséquence inévitable de l'aspect moléculaire et discontinu de la matière. C'est un phénomène stochastique inéluctable, survenant dans tout système physique. Dans un modèle théorique, on peut ajouter ou supprimer le bruit à loisir. Ce qui veut dire que les théoriciens peuvent faire quelque chose d'impossible aux expérimentateurs: comparer un système sans bruit (inexistant dans la nature) avec un système bruité, et évaluer l'effet des fluctuations thermodynamiques sur le processus de segmentation. «En général, on s'attend à ce qu'un bruit accidentel perturbe l'ordre établi», constate le Dr Nowakowski. «Nos simulations montrent un résultat inverse. L'introduction du bruit dans le modèle accélère notablement l'apparition des structures périodiques, juste après le passage du front d'onde chimique.»Pour de plus amples informations, consulter: Centre national de la recherche scientifique (CNRS): http://www.cnrs.fr/ Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences http://www.ichf.edu.pl/indexen.html Europhysics Letters: http://epljournal.edpsciences.org/
Pays
France, Pologne