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Contrôler la vitesse de réaction des cellules à un stress

Industrie et  Technologies
Une équipe de chercheurs franco-américains a trouvé le moyen d'influer sur la vitesse de réaction d'une cellule à un stress osmotique. Ces travaux devraient déboucher sur la création de cellules aux fonctions biologiques novatrices avec une dynamique cont



Soumise à une modification de son environnement, une cellule réagit plus ou moins rapidement à ce stress pour assurer sa survie. Chez la levure, cela passe par une succession de réactions connues, mais dont la dynamique n'avait jamais été étudiée. C'est désormais chose faite grâce Pascal Hersen, chargé de recherche CNRS au Laboratoire Matière et systèmes complexes de l'Université Paris 7, et à l'équipe dirigée par Sharad Ramanathan au Center for Systems Biology de l'Université de Harvard aux USA.

Il suffit d'un peu de sel sur une cellule pour qu'elle rapetisse ! Ce phénomène s'explique par une différence de salinité entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule, qui créé un stress osmotique. Pour rétablir l'équilibre entre ces concentrations, la cellule largue de l'eau à travers la membrane, c'est l'osmose, ce qui réduit sa taille... Afin de retrouver une dimension normale, la cellule met en Å“uvre une série de réactions indispensables au bon fonctionnement de ses processus de régulation et d'adaptation.

Une machine à stresser les cellules

Cet enchaînement est bien décrit pour un système eucaryote modèle (organisme vivant possédant un noyau isolé du cytoplasme par une membrane et contenant de l'ADN), tel la levure Saccharomyces cerevisiae. Mais sa dynamique restait méconnue. Or, une cellule se doit de réagir à la bonne vitesse pour assurer sa survie. Pour comprendre la dynamique de cette réponse, Pascal Hersen et ses collègues américains ont étudié comment et à quelle vitesse la levure répond et s'adapte à un stress osmotique. Grâce à un dispositif simple permettant de suivre le comportement individuel des cellules, ils ont conçu un environnement de laboratoire qui créé un déséquilibre cyclique.





Cellules de levure dont le noyau est marquée en fluorescence rouge et
la protéine hog1 marquée par fluorescence verte.
Cette protéine se localise dans le noyau suite à un choc osmotique.
© Pascal Hersen / CNRS


Première constatation : lorsque la fréquence est trop élevée, la taille des cellules ne change pas. Le transfert d'eau à travers la membrane cellulaire n'a tout simplement pas le temps de se faire. A l'inverse, pour des fréquences plus faibles (introduction d'un déséquilibre toutes les 10 secondes), les cellules rapetissent et gonflent périodiquement en suivant fidèlement les fluctuations de ce déséquilibre.

Toutefois, dans cette gamme de fréquence, la cascade de réactions n'a pas le temps d'être activée entre deux cycles. Il y a donc un découplage entre réponse mécanique et réponse biologique. Ce n'est qu'en deçà d'une période de l'ordre d'une dizaine de minutes que les réactions biologiques sont activées et se succèdent "naturellement", tout en étant couplées à la réponse mécanique de la cellule. Cette fréquence est donc caractéristique de la dynamique de la réponse chez la levure, celle-ci étant incapable de suivre fidèlement les changements trop rapides de son environnement au-delà de 10 minutes.

Modifier la dynamique

Outre la possibilité de mesurer la vitesse de réaction à ce stress osmotique, les chercheurs sont aussi dorénavant capables de ralentir significativement celle-ci en supprimant certains gènes. Ils espèrent maintenant comprendre comment l'abondance et la nature des protéines influent sur la dynamique de ces réactions, et pourraient, à terme, être capables de les accélérer ou de les ralentir.

Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives en ingénierie du vivant. Il s'agit ici de synthétiser des systèmes complexes fondés sur la biologie, afin de construire des cellules aux fonctions biologiques novatrices, n'existant pas dans la nature, et dont la dynamique est contrôlée.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.cnrs.fr


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