La cellule tire ses forces de son squelette

Par Pierre Ronceray et Martin Lenz / Publié le 26 février 2016

Des physiciens du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques ont découvert que les propriétés mécaniques des fibres microscopiques structurant les cellules sont à l'origine des forces contractiles dans notre corps à grande échelle.


Simulation par ordinateur de la transmission de force dans un réseau de fibres biologiques. Les moteurs moléculaires (représentés par des cercles jaunes) réarrangent le réseau pour créer des motifs étoilés de fibres sous tension, responsables de l'amplification des forces contractiles. © Pierre Ronceray

De nombreuses cellules de notre corps ont la faculté de se mouvoir et de se déformer de leur propre chef. Ces forces à l'œuvre pour des processus aussi divers que la division cellulaire, le façonnement de l'embryon ou encore la contraction musculaire ont toutes la même origine : elles sont produites par l'action simultanée d'une multitude de moteurs moléculaires contenus à l'intérieur de la cellule. Ces forces sont ensuite transmises pour passer de l'échelle nanométrique du moteur à celle de la cellule, mille fois plus grande, par un assemblage de fibres souples. Cet assemblage, véritable squelette de la cellule, lui confère sa structure et sa rigidité.

C'est à la façon dont de tels réseaux de fibres transmettent les forces dans le vivant que se sont intéressés des physiciens théoriciens du CNRS et de l'Université Paris-Sud, à Orsay, et de la Ludwig-Maximilians-Universität, à Munich. Par des calculs théoriques et des simulations numériques, ils ont découvert que ces réseaux de fibres font bien plus que transmettre les forces : ils les réorganisent et les amplifient, générant ainsi des forces considérables aux grandes échelles. À l'origine de ce phénomène se trouve une propriété fondamentale inhérente aux fibres biologiques : de la même façon qu'une fine tige de plastique, ces fibres résistent si on les tire, tandis qu'en les comprimant elles vont avoir tendance à plier et se tordre.

En incluant cet effet, connu sous le nom de « flambage », dans les équations de transmission des forces, Pierre Ronceray, Chase Broedersz et Martin Lenz ont remarqué qu'un certain type de forces en ressortait amplifié. En effet, les forces contractiles, qui mettent le réseau sous tension, peuvent après transmission être vingt fois supérieures à ce qu'elles seraient sans flambage. Plus surprenant encore, ces forces contractiles émergent du seul fait des propriétés élastiques des filaments. Ainsi, les propriétés mécaniques de fibres microscopiques expliquent l'omniprésence des forces contractiles dans notre corps à grande échelle : non seulement sont-elles transmises très efficacement... Mais ce sont aussi les seules à être transmises ! Ceci explique peut-être pourquoi, de façon contre-intuitive, nous devons contracter nos muscles pour étendre les bras ou gonfler nos poumons, et le squelette de la cellule, par effet de levier, convertit cette contraction en extension.

Références

Fiber networks amplify active stress, Pierre Ronceray, Chase P. Broedersz, Martin Lenz, PNAS 26 février 2016

Dernière modification le 29 février 2016