Comment les forces faibles déforment les membranes cellulaires

Prolongements épineux, longs flagelles ou fibres, renflements informes : Les cellules biologiques peuvent former presque n'importe quelle structure membranaire complexe. Ces structures permettent aux cellules de percevoir des stimuli externes, d'entrer en contact avec d'autres cellules ou d'explorer leur environnement.

Pour que de telles formes variées soient créées, des forces locales agissant de l'intérieur sur la membrane cellulaire sont nécessaires. Dans les cellules, des composants du squelette cellulaire tels que les filaments d'actine ou les microtubules exercent de telles forces sur la membrane. Toutefois, les bactéries pathogènes qui pénètrent dans les cellules peuvent également produire des phénomènes similaires. C'est ce que l'on sait par exemple de la listeria, l'agent pathogène des inflammations intestinales. En déformant la membrane, les bactéries parviendraient finalement à infecter les cellules voisines saines.

Une malléabilité fascinante

La réponse mécanique de telles membranes lipidiques est en outre fascinante pour les scientifiques, car elle constitue d'une part une enveloppe stable qui régule les interactions d'une cellule avec son environnement, mais elle est d'autre part déformable. La question des propriétés mécaniques spécifiques de telles membranes présente un intérêt à la fois pratique et fondamental, notamment du point de vue de la science et ingénierie des matériaux.

Pour pouvoir étudier de tels processus, les chercheurs utilisent depuis longtemps de grandes vésicules entourées d'une membrane à double lipide. Il s'agit donc d'un système simple et clair qui imite les cellules biologiques. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de faire agir de manière contr?lée, depuis l'intérieur de telles vésicules, des forces qui conduisent aux structures observées dans les cellules naturelles.

Des particules autopropulsées comme solution

Aujourd'hui, un groupe de chercheurs dirigé par Jan Vermant, professeur de matériaux mous à l'ETH Zurich, a trouvé une solution à ce problème jusqu'ici non résolu. Ils ont rempli les vésicules de particules d'un micromètre qui peuvent se déplacer de manière autonome dans la vésicule. Elles entrent en collision avec la membrane de manière aléatoire et génèrent ainsi des forces locales qui conduisent à la formation de flagelles, d'antennes et d'autres structures.

"Nous n'avons pas seulement réussi à créer un système artificiel très simplifié qui imite très bien les cellules", explique Rao Vutukuri, boursier Marie Curie dans le groupe de Vermant. "Gr?ce à cette approche, nous avons également pu clarifier la physique des matériaux et la mécanique des membranes constituées de couches de lipides doubles". L'étude correspondante vient d'être publiée dans la revue spécialisée page externeNature paru . Vutukuri est le premier auteur.

En collaboration avec des chercheurs du centre de recherche de Jülich (Allemagne), les chercheurs de l'ETH ont en outre combiné leurs expériences avec des simulations informatiques afin de mieux comprendre le mécanisme exact à l'origine des déformations membranaires. Ils ont ainsi pu montrer comment les particules autopropulsées provoquent une multitude de formes inhabituelles. Les observations issues des expériences et les simulations concordaient bien.

Les particules déclenchent la diversité des formes

Les deux montrent : Les particules frappent d'abord la membrane des vésicules en des points aléatoires - et déclenchent ainsi des effets similaires à ceux de la listeria dans une cellule réelle. Le point d'impact d'une particule déforme localement la membrane, ce qui attire d'autres particules. La membrane se renfle de plus en plus, formant bient?t des prolongements en forme d'épines ou de flagelles.

La déformation des vésicules dépend toutefois de la quantité de particules qu'elles contiennent. "Moins, c'est plus dans ce cas", explique Vutukuri. Plus les vésicules contenaient de particules, moins la membrane réagissait aux forces ponctuelles exercées par les particules. En revanche, un taux de remplissage de trois pour cent était optimal et entra?nait la formation des structures membranaires les plus folles. Ces déformations peuvent également se résorber. "Le système est très dynamique", explique Vutukuri. "Il est même désormais possible de prédire les transitions de formes".

"Même si nos vésicules ne reproduisent pas entièrement la complexité d'une vraie cellule, la manière dont une structure auto-organisée comme la membrane réagit à de grandes déformations locales est fascinante. Leur réaction aux forces actives a été sous-estimée jusqu'à présent", explique le professeur Vermant de l'ETH. Les chercheurs de l'ETH sont convaincus que cette étude ouvre la voie au développement de nouveaux systèmes de membranes artificielles, de cellules artificielles ou de minuscules robots en matériaux souples.