Une équipe de chercheurs révèle les interactions cachées entre les particules à la surface des cellules

Les mesures à grande vitesse et l'analyse de la fréquence permettent de détecter des interactions ultra-fluides

18.07.2023 - Allemagne

Est-il possible que, dans la plupart des mesures effectuées dans le domaine des sciences de la vie, des interactions importantes restent cachées à l'intérieur ou à la surface de la cellule ? Cette question intrigue depuis des années l'équipe du professeur Alexander Rohrbach, spécialiste des lasers et de la biophysique à l'université de Fribourg. Avec son collègue Felix Jünger, il a étudié diverses interactions entre des particules de la taille des bactéries, c'est-à-dire quelques micromètres, et même des virus, de l'ordre de 0,1 micromètre, sur différentes surfaces cellulaires. Grâce à une technologie de mesure laser raffinée et à des méthodes d'analyse mathématique, ils sont parvenus à rendre visibles des interactions auparavant cachées. Les résultats ont été publiés dans la revue Small. À l'avenir, ils pourraient permettre de mieux comprendre comment différentes particules se lient aux cellules, qu'il s'agisse de virus, de bactéries, de poussières fines, de débris cellulaires ou d'ingrédients actifs enrobés de micelles.

La viscoélasticité détermine le comportement

Les propriétés viscoélastiques des surfaces cellulaires jouent ici un rôle décisif. M. Rohrbach cite l'exemple d'une solution d'amidon. "Si l'on mélange une quantité suffisante d'amidon de maïs dans une bassine d'eau et que l'on marche rapidement dessus, on peut effectivement marcher sur le liquide. Vous ne sentez qu'une surface élastique. Mais si vous marchez lentement ou si vous vous arrêtez, vous vous enfoncez et vous sentez le liquide autour de vos pieds". Ainsi, selon l'échelle de temps utilisée, la solution est soit élastique, soit visqueuse. Le spectateur voit une personne aux pieds secs ou mouillés sortir de la baignoire.

Les cellules biologiques sont constituées de structures moléculaires minuscules, qui ne sont visibles que sous les meilleurs microscopes. Elles réagissent toutes à la pression ou à la tension en partie de manière élastique, c'est-à-dire qu'elles emmagasinent de l'énergie, et en partie de manière visqueuse, c'est-à-dire qu'elles perdent de l'énergie. Chaque cellule individuelle est un système viscoélastique et détermine ainsi les propriétés viscoélastiques, par exemple du muscle ou du tissu conjonctif. Presque chaque cellule possède sa propre matrice extracellulaire hautement spécialisée : un réseau de molécules en forme de filaments, de fibres fines et de fines protubérances en forme de doigts. Cette surface cellulaire complexe influence l'absorption de particules telles que les virus, les bactéries ou les particules. "Lors de la transduction des signaux, la matrice extracellulaire fait la distinction non seulement en fonction de la taille, de la forme et de la surface des particules, mais aussi de la rapidité ou de la lenteur avec laquelle les particules à diffusion thermique entrent en contact avec la surface, c'est-à-dire qu'elle agit comme un tamis spatial et temporel pour les signaux mécaniques", explique M. Rohrbach.

Une technologie de mesure extrêmement rapide

À l'aide d'un microscope à force photonique, une combinaison de pinces laser optiques et d'un système de détection interférométrique à quatre quadrants, le biophysicien Jünger a approché pour la première fois des billes d'un micromètre sur des cellules vivantes lors de nombreuses expériences. La particule, qui sert de sonde, est piégée dans le foyer du laser, mais elle effectue encore de petits mouvements de tremblement, connus sous le nom de fluctuations de position thermique. Ces mouvements sont mesurés en trois dimensions un million de fois par seconde, avec une précision de quelques nanomètres. Les signaux de position de la particule, d'apparence bruyante, contiennent cependant des informations cruciales sur l'interaction avec son environnement.

Si la particule est lentement amenée à la surface de la cellule à l'aide de pinces optiques ou si elle est présentée à la cellule à une distance courte et constante, une interaction de la particule avec les structures fines de la matrice extracellulaire commence au bout de quelques secondes. Si vous observez l'histogramme des positions, c'est-à-dire la distribution de toutes les positions des particules, vous ne remarquerez pratiquement aucune différence dans la distribution avant et après l'interaction. L'interaction est cachée. "L'échantillonnage rapide du signal nous a permis d'effectuer pour la première fois des transformations intégrales de Kramers-Kronig pour les fluctuations thermiques des particules, ce qui nous permet de visualiser le comportement élastique et visqueux des structures cellulaires à différentes fréquences de mouvement", explique Jünger. Rohrbach ajoute : "Toutefois, pour donner un sens à ces deux réponses en fréquence, il faut traduire en équations mathématiques l'idée que l'on se fait de ce qui se passe au niveau moléculaire, puis comparer dans quelle mesure les solutions de ces équations correspondent aux résultats expérimentaux."

Modèle mathématique minimal dans le domaine des fréquences

Ce faisant, les chercheurs de Fribourg ont conçu un modèle mathématique minimal dans le domaine des fréquences, qui peut être adapté de manière inattendue au comportement viscoélastique dans différentes méthodes de mesure sur différentes cellules. En analysant les fluctuations de la sonde, Jünger et Rohrbach ont pu déterminer, par exemple, des propriétés importantes de la matrice péricellulaire (PCM) des cellules épithéliales intestinales, qui se compose de brins d'acide hyaluronique en forme de filet. "Nous avons pu mesurer l'épaisseur de la PCM de 350 nanomètres à l'échelle de la microseconde seulement ; sur des échelles de temps plus longues, la PCM était tout simplement invisible", explique M. Rohrbach. L'élasticité du PCM, qui n'est que d'environ six pascals à l'échelle de la milliseconde, mais d'environ 20 pascals à l'échelle de la microseconde, pourrait expliquer, par exemple, pourquoi les virus de petite taille et très dynamiques ont tendance à rebondir sur le PCM de manière plus élastique d'un point de vue physique, alors que les bactéries plus grandes et moins dynamiques ont tendance à s'enfoncer dans le PCM, précisément parce qu'il est moins élastique à des échelles de temps plus grandes.

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