L’une des questions fondamentales et éternelles de la vie concerne le mécanisme par lequel la vie naît. Prenez le développement humain : comment les cellules individuelles se rassemblent-elles pour former des structures complexes comme la peau, les muscles, les os ou même le cerveau, les doigts ou la colonne vertébrale ? Bien que les réponses à ces questions restent inconnues, une direction de la recherche scientifique réside dans la compréhension du développement embryonnaire - l'étape au cours de laquelle les cellules embryonnaires se développent d'une seule couche à une structure multidimensionnelle avec un axe corporel principal. L'implantation d'un embryon humain a lieu environ 14 jours après la conception.
Les embryons humains ne peuvent pas être étudiés à ce stade, c'est pourquoi des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego, de l'Université de Dundee au Royaume-Uni et de l'Université Harvard ont pu étudier la formation de l'estomac chez les embryons de poulet, qui présentent de nombreuses similitudes avec les embryons humains à ce stade.
La recherche a été menée selon ce que Mattia Serra, professeur adjoint de physique à l'UC San Diego, appelle le cycle idéal : un va-et-vient interdisciplinaire entre la science théorique et la science expérimentale. Mattia est un théoricien intéressé par la découverte de modèles émergents dans des systèmes biophysiques complexes.
Développer des modèles mathématiques prédictifs
Ici, lui et son équipe ont construit un modèle mathématique basé sur les contributions de biologistes de l’Université de Dundee. Le modèle a pu prédire avec précision le flux de développement des embryons de poulet (le mouvement de milliers de cellules dans l’embryon de poulet) observé au microscope. C’est la première fois qu’un modèle mathématique d’auto-organisation parvient à reproduire ces flux chez l’embryon de poulet.
Les biologistes ont ensuite voulu voir si le modèle pouvait non seulement reproduire ce qu'ils savaient grâce aux expériences, mais aussi prédire ce qui pourrait se produire dans différentes conditions. L’équipe de Serra a « perturbé » le modèle – en d’autres termes, modifié les conditions initiales ou les paramètres actuels.
Les résultats ont été surprenants : le modèle a produit des flux cellulaires qui n’étaient pas observés naturellement chez les poussins, mais qui ont été observés chez deux autres vertébrés : les grenouilles et les poissons.
Pour garantir que ces résultats n’étaient pas des illusions mathématiques du modèle, les collaborateurs en biologie ont imité les perturbations précises du modèle sur des embryons de poulet en laboratoire. Étonnamment, ces embryons de poulet traités présentaient également le processus de formation gastrique naturellement observé chez les poissons et les grenouilles.
Impact et recherches futures
Les résultats, publiés dans Science Advances, suggèrent que les mêmes principes physiques derrière l'auto-organisation multicellulaire pourraient avoir évolué parmi les espèces de vertébrés.
"Les poissons, les grenouilles et les oisillons vivent tous dans des environnements différents, donc les pressions évolutives peuvent avoir modifié les paramètres et les conditions initiales du développement embryonnaire au fil du temps", a déclaré Serra. "Cependant, au moins dans les premiers stades du développement embryonnaire, certains des principes fondamentaux de l'auto-organisation peuvent être les mêmes entre les trois."
L’équipe de recherche étudie actuellement d’autres mécanismes qui génèrent des modèles d’auto-organisation au niveau embryonnaire. Ils espèrent que cette recherche fera progresser le développement de la conception de biomatériaux et de la médecine régénérative, aidant ainsi les humains à vivre plus longtemps et en meilleure santé.
"Le corps humain est le système dynamique le plus complexe qui existe", a-t-il déclaré. "Il y a tellement de questions biologiques, physiques et mathématiques intéressantes sur notre corps - c'est incroyable d'y penser. Il n'y a pas de fin à ce que nous pouvons découvrir."
Source compilée : ScitechDaily