Les écoulements tourbillonnaires s’observent à plus ou moins grande échelle : vortex atmosphériques, fluides quantiques, signaux bioélectriques du cœur ou du cerveau… Les structures de ces systèmes sont déterminées par ce que l’on appelle des « défauts topologiques ». La dynamique de ces défauts au sein des fluides a déjà fait l’objet de nombreuses études. Mais on ignore encore si les lois établies peuvent s’étendre aux systèmes vivants. C’est ce qu’a tenté de mettre en évidence une équipe de biophysiciens du MIT, en analysant les turbulences qui apparaissent en surface des cellules.
Le processus de division cellulaire est indispensable au développement de tout organisme vivant. On distingue plusieurs types de division : la mitose et la méiose chez les eucaryotes, et la scissiparité chez les procaryotes. Chaque fois, la cellule se divise en deux cellules distinctes et équivalentes. Mais qu’est-ce qui conditionne cette division ? Et comment la cellule fait-elle pour rompre sa membrane à l’endroit adéquat ?
Chez pratiquement toutes les espèces, lorsqu’un œuf est fécondé, une série d’ondulations se propagent sur sa surface. Ces ondes sont produites par les milliards de protéines – jusqu’alors inactives dans le cytoplasme de la cellule – qui viennent se positionner à la surface, comme pour signaler à l’œuf qu’il doit commencer à se diviser.
Une équipe de chercheurs du MIT, menée par Nikta Fakhri, chercheuse en biophysique, a entrepris d’examiner de près ces ondes cellulaires, à partir d’un œuf d’étoile de mer (considéré comme représentatif des œufs de nombreuses espèces animales) pour mettre en évidence un éventuel schéma caractéristique d’ondulation.
Des ondulations indispensables à la division cellulaire
De précédentes études ont démontré que la protéine qui entre en jeu lors de la fécondation d’un œuf est la protéine Rho-GTP, présente par milliards dans le cytoplasme de la cellule. Dès qu’elles sont activées, toutes ces protéines viennent se fixer à la membrane de l’œuf et engendrent une série d’ondulations. Selon Nikta Fakhri, ces « vagues de protéines » servent notamment à orienter la division cellulaire autour du noyau de la cellule. « L’œuf est une énorme cellule, et ces protéines doivent travailler ensemble pour trouver son centre, afin que la cellule sache où se diviser et se replier, plusieurs fois, pour former un organisme », explique Fakhri. « Sans ces protéines formant des vagues, il n’y aurait pas de division cellulaire ».
Pour mieux comprendre le rôle de la protéine Rho-GTP et le schéma ondulatoire induit par son comportement, l’équipe a travaillé sur 10 œufs d’ovaires d’étoiles de mer, dans lesquels ils ont chaque fois fait varier la concentration de l’hormone chargée de simuler la fécondation et favoriser la maturation de la cellule. Des marqueurs fluorescents, capables de se fixer aux formes actives de Rho-GTP, leur ont permis de suivre les mouvements de la protéine.
Les chercheurs ont commencé par assembler des vidéos noir et blanc de chaque œuf, qui montraient bien le déplacement des ondes en surface. Plus une zone était lumineuse, plus la concentration de Rho-GTP y était élevée. Ils ont alors comparé les vidéos – en comparant la luminosité, pixel par pixel – afin de créer une animation reproduisant le modèle ondulatoire observé.
De petits ouragans à la surface des cellules
L’équipe de scientifiques a finalement remarqué que les vagues produites semblaient osciller vers l’extérieur, sous forme de minuscules spirales, comme de minis ouragans. Certaines spirales entraient en collision, puis disparaissaient ; d’autres continuaient à tourbillonner, dans des directions opposées. Or, ce type de schéma n’est pas sans rappeler le comportement d’autres systèmes très divers et d’une tout autre échelle, tels que les vortex atmosphériques et océaniques, les tourbillons quantiques, ou les signaux électriques qui traversent le cœur et le cerveau.
Pour comprendre l’origine du mouvement, ils se sont alors intéressés au cœur de chaque spirale, qui constituent selon eux des « défauts topologiques », autrement dit – pour faire très simple – des endroits où les ondes générées par l’activation des protéines sont déphasées. Une analyse statistique a permis de définir la vitesse et la fréquence de ces défauts à la surface d’un œuf, et aussi les conditions dans lesquelles les spirales sont apparues, sont entrées en collision et ont disparu. Les résultats coïncidaient complètement avec les observations réalisées à plus grande échelle : « Quand on regarde les statistiques de ces défauts, c’est essentiellement la même chose que les tourbillons dans un fluide, ou les ondes dans le cerveau, ou les systèmes à plus grande échelle », explique Jörn Dunkel, chercheur en mathématique et physique appliquées et co-auteur de l’étude. « C’est le même phénomène universel, simplement réduit au niveau d’une cellule ».
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Une piste pour concevoir des ordinateurs biologiques
Ces ondes de surface au niveau des cellules semblent donc adopter un schéma ondulatoire universel. Un constat dont se réjouit l’équipe du MIT, qui voit ici l’opportunité d’appliquer à la biologie toutes les techniques qui ont été développées pour étudier les schémas similaires dans les systèmes cités plus haut, et ainsi en apprendre bien plus sur le monde du vivant.
Si la concordance est déjà particulièrement troublante, les chercheurs soulignent surtout les similitudes entre ces ondes cellulaires et le principe de l’informatique quantique : ici, les ondes qui apparaissent en surface de l’œuf transmettent des signaux spécifiques, qui guident la cellule vers sa division. En informatique quantique, il est question de manipuler des états quantiques dans un fluide, selon un schéma précis, pour traduire des données et effectuer des calculs. Cette comparaison ouvre la voie à de nouvelles expérimentations. Fakhri évoque notamment la possibilité de développer de mini-ordinateurs quantiques à partir de cellules biologiques, autrement dit, ces ondes de signalisation biologiques pourraient peut-être servir d’outil de calcul…