Projet de recherche de Physico-biologie aux méso-échelles

Chimiotactisme des bactéries

Non seulement la bactérie E. coli est chimiotactique, c'est-à-dire que cette bactérie nage vers une source d'attractants (nourriture, oxygène…), elle exprime également certains de ces attractants. Cette propriété présente des similitudes avec un problème classique de physique : des particules en interaction soumises à un champ externe. Elle conduit à des comportements complexes (formation de motifs, auto-concentrations, transitions de phases …). Ce système hors équilibre du point de vue de la physique statistique, est également à l'origine d'ondes de concentration pouvant être facilement observées à partir de suspensions bactériennes, dans des micro-canaux. Afin de mieux comprendre les règles gouvernant le comportement de ce système, nous pouvons jouer sur plusieurs paramètres (champs externes, géométries des canaux…) qui permettent de contrôler la propagation des fronts de concentration.

Concentration wave of E. coli bacteria in a microchannel and details of the individual trajectories
Concentration wave of E. coli bacteria in a microchannel and details of the individual trajectories

Migration collective de cellules épithéliales

En utilisant une technique originale développée dans notre groupe, nous pouvons libérer de la surface à un épithélium confluent sans endommager les cellules.

Représentation schématique des expériences. Le décollement du pochoir déclenche la migration des cellules
Représentation schématique des expériences. Le décollement du pochoir déclenche la migration des cellules.

Dans ces conditions, les cellules se développent et migrent sur cette surface nouvellement libérée. Comme les contacts cellule-cellule sont conservés, cette motilité a des propriétés collectives qui donnent lieu à des comportements inhabituels et, en particulier, à une forte digitation du bord formé et à l'apparition de cellules « leaders » qui ont des caractéristiques très particulières.

Migration cellulaire observée lorsque l'on libère de la surface (t=0, retrait du pochoir)
Migration cellulaire observée lorsque l'on libère de la surface (t=0, retrait du pochoir). A gauche : Digitation du bord de l'épithélium (largeur initiale = 400 µm). A droite : Les doigts sont précédés d'une « cellule leader » semblable à un fibroblasteLa similarité de certaines de ces observations avec des groupes multicellulaires issus de tumeurs épithéliales in vivo est une motivation pour développer un équivalent 3D. Nous avons commencé les premières expériences dans ce sens.

Dans les deux cas, un environnement confiné avec des limites bien définies (c'est-à-dire un bon contrôle des géométries et des propriétés de surface) est nécessaire à l'obtention de situations reproductibles. Nous utilisons à cette fin les techniques de micro-fabrication, principalement basées sur la lithographie douce, et nous développons de nouvelles stratégies permettant un tel contrôle.

Dans toutes ces situations, diverses quantités sont mesurées depuis les échelles subcellulaires jusqu'aux échelles multicellulaires (forces développées par les cellules, champs de déplacements et de vitesses, formes ou polarités…) et sont corrélées aux signaux biochimiques pertinents tels que la consommation d'oxygène ou l'activité des petites protéines G.

Champ de vitesse dans un épithélium en migration obtenu par vélocimétrie par imagerie de particules
Champ de vitesse dans un épithélium en migration obtenu par vélocimétrie par imagerie de particules. Les déplacements des cellules sont très corrélés et s'étendent sur environ 15 cellules.

Cette approche très parallèle et quantitative nous permet d'interagir efficacement avec plusieurs groupes de théoriciens afin d'interpréter nos expériences et de modéliser ces phénomènes hors d'équilibre.


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