Images microscopiques de cellules biologiques : en haut à droite (vert) – Filaments intermédiaires de vimentine dans les fibroblastes ; en bas à gauche (rouge) – Filaments intermédiaires de kératine dans les cellules épithéliales. Échelle : 10 µm. Crédit : en haut à droite (vert) : Ulrike Rölleke. en bas à gauche (rouge) : Ruth Meyer
Des chercheurs de l’université de Göttingen découvrent des propriétés surprenantes du cytosquelette.
La plupart des cellules biologiques ont une place fixe dans l’organisme. Cependant, dans certains cas, ces cellules acquièrent une mobilité qui leur permet de se déplacer dans le corps. De telles situations se produisent lors de processus tels que la cicatrisation des plaies, ou lorsque des cellules cancéreuses se divisent sans discernement et se répandent dans l’organisme. Les caractéristiques des cellules mobiles et stationnaires présentent plusieurs différences, l’une d’entre elles étant la structure de leur cytosquelette.
Cette structure de filaments protéiques rend les cellules stables, extensibles et résistantes aux forces extérieures. Dans ce contexte, les « filaments intermédiaires » jouent un rôle important. Il est intéressant de noter que l’on trouve deux types différents de filaments intermédiaires dans les cellules mobiles et stationnaires. Des chercheurs de l’université de Göttingen et de l’ETH Zurich ont réussi à mesurer et à décrire avec précision les propriétés mécaniques de ces deux filaments. Ils ont ainsi découvert des parallèles avec des matériaux non biologiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Matter.
Les scientifiques ont utilisé des pinces optiques pour étudier le comportement des filaments sous tension. Ils ont fixé les extrémités des filaments à de minuscules billes en plastique, qu’ils ont ensuite déplacées de manière contrôlée à l’aide d’un faisceau laser. Les deux types de filaments, la vimentine et la kératine, ont ainsi été étirés. Les chercheurs ont déterminé quelles forces étaient nécessaires à l’étirement et comment les différents filaments se comportaient lorsqu’ils étaient étirés plusieurs fois.
De manière surprenante, les deux filaments différents se comportent de manière opposée lorsqu’ils sont étirés plusieurs fois : les filaments de vimentine deviennent plus souples et conservent leur longueur, tandis que les filaments de kératine deviennent plus longs et conservent leur rigidité.
Les résultats expérimentaux correspondent aux simulations informatiques des interactions moléculaires : dans les filaments de vimentine, les chercheurs supposent que les structures s’ouvrent, comme dans les gels composés de plusieurs éléments ; dans les filaments de kératine, ils supposent que les structures se déplacent les unes par rapport aux autres, comme dans les métaux. Les deux mécanismes expliquent que les réseaux de filaments intermédiaires du cytosquelette peuvent être déformés très fortement sans être endommagés. Cependant, ce facteur de protection s’explique par des principes physiques fondamentalement différents.
« Ces résultats nous permettent de mieux comprendre pourquoi les différents types de cellules ont des propriétés mécaniques si différentes », explique le Dr Charlotta Lorenz, premier auteur de l’étude. Le professeur Sarah Köster, de l’Institut de physique des rayons X de l’université de Göttingen et responsable de l’étude, ajoute : « Nous pouvons apprendre de la nature et réfléchir à la conception de nouveaux matériaux durables et transformables dont les propriétés peuvent être choisies ou conçues pour répondre exactement aux besoins.
Référence : « Keratin filament mechanics and energy dissipation are determined by metal-like plasticity » par Charlotta Lorenz, Johanna Forsting, Robert W. Style, Stefan Klumpp et Sarah Köster, 22 mai 2023, Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2023.04.014