NANOBIOLOGIE : LA MICROMANIPULATION DES MOLÉCULES

Si l'on regarde une cellule vivante sous le microscope optique, il y a à l'évidence de nombreux phénomènes dynamiques actifs comme : la division et les mouvements cellulaires, le transport d'objets dans la cellule ou encore la formation et disparition de structures intracellulaires comme les organelles. Des macromolécules complexes, qui jouent le rôle de petites machines à l'échelle moléculaire, sont à l'origine de ces phénomènes actifs. Ces molécules agissent en grand nombre dans une cellule vivante, invisible dans le microscope optique du fait de leur petite taille de l'ordre de quelques nanomètres. Les prototypes de ces molécules sont les moteurs moléculaires qui consomment un carburant chimique qu'ils transforment en travail mécanique. Dans les dix dernières années, des techniques de micromanipulation ont permis d'étudier les propriétés mécaniques de ces molécules à l'échelle d'une molécule unique. Des techniques de fluorescence et de pince optique permettent de mesurer des forces de l'ordre de piconewtons et des déplacements de quelques nanomètres. Il existe toute une diversité de moteurs moléculaires : des moteurs linéaires qui se déplacent le long de filaments rigides ; des moteurs rotatifs, qui tournent dans une membrane cellulaire ; des systèmes de moteurs qui génèrent des mouvements oscillatoires, permettant la nage de certains organismes unicellulaires. Enfin, il y a des molécules qui se déplacent le long de la double hélice de l'ADN, le porteur du code génétique. Ces molécules ouvrent l'hélice, dupliquent le code ou créent une copie sur un brin d'ARN. L'étude des propriétés physiques de molécules individuelles par des techniques de micromanipulation est importante pour mieux comprendre leur fonctionnement dans des structures biologiques complexes. Finalement, la fusion de structures artificielles nanotechnologiques avec des molécules individuelles biologiques permet de créer artificiellement des systèmes moléculaires actifs qui représentent un premier pas vers une technologie de moteurs moléculaires.

Transcription* de la 400e conférence de l'Université de tous les savoirs prononcée le 17 janvier 2002
Nanobiologie : la micromanipulation des molécules par Frank Jülicher
Cette série de conférences sur les nanotechnologies souligne les efforts actuels pour développer des techniques de manipulation des structures et des objets à l'échelle moléculaire, de quelques nanomètres (nm). L'objectif de ces recherches est de créer des structures artificielles complexes et de développer une véritable technologie à cette échelle sous-microscopique.
Les cellules vivantes ont créé des macromolécules biologiques et des nano-objets complexes qui sont à la fois des exemples et une source de motivation pour ce que nous tentons de réaliser artificiellement par des nouvelles techniques. Ces nano-objets sont très intéressants dans plusieurs perspectives :
D'une part, l'étude des macromolécules biologiques est essentielle pour la compréhension du fonctionnement des cellules vivantes.
De plus, les macromolécules biologiques constituent des exemples de nano-objets avec des fonctions très diverses comme par exemple de véritables moteurs à l'échelle moléculaire. Ils sont donc la preuve que les fonctionnements complexes à l'échelle moléculaire sont tout à fait possibles en principe et qu'ils sont déjà réalisés dans la nature.
Par ailleurs, l'étude de ces nano-objets biologiques permet également d'étudier les particularités et les limitations d'un fonctionnement à l'échelle moléculaire et de les distinguer du fonctionnement des technologies habituelles macroscopiques. Par exemple, à l'échelle moléculaire, les fluctuations sont très importantes car les macromolécules fonctionnent de manière stochastique et non pas de manière déterministe.

Enfin, les nouvelles technologiques de micromanipulation permettent aujourd'hui d'étudier les propriétés et les comportements des macromolécules biologiques au niveau des molécules individuelles.
Dans cet exposé, nous allons présenter des exemples de macromolécules biologiques capables de générer des mouvements et des forces au niveau de la molécule individuelle. Ces systèmes sont importants pour les phénomènes actifs dans les cellules vivantes comme par exemple la division cellulaire, le mouvement créé dans les cellules, le transport des composants dans les cellules et aussi la contraction musculaire.
Dans un premier temps nous allons présenter l'organisation des cellules et l'importance des phénomènes actifs et des structures moléculaires cellulaires.
À l'échelle macroscopique, vous trouvez les cellules des animaux et des plantes qui peuvent avoir une taille d'un dixième de millimètre soit 100 micromètres. Les bactéries sont déjà plus petites et sont de l'ordre de 1 micromètre. Elles restent visibles par microscopie optique, technique qui est limitée par la longueur d'onde de la lumière visible. Les échelles plus petites sont celles des nano-objets complexes comme les virus, qui sont de l'ordre de 100 nanomètres. Encore plus petites, les protéines sont les macromolécules les plus importantes des cellules vivantes. Elles peuvent être constituées de milliers d'atomes et avoir une structure tridimensionnelle très complexe. La taille typique d'une protéine est 10 nanomètres. Une autre macromolécule importante est l'ADN qui porte le code génétique. Elle peut être très longue avec un diamètre de 1 à 2 nanomètres. Viennent ensuite des molécules plus petites comme les lipides qui constituent les membranes biologiques. Finalement, en dessous du nanomètre, on trouve des petites molécules comme l'eau et les atomes.
Tout ce monde inférieur au micromètre, visible uniquement avec un microscope électronique, est présent dans les cellules vivantes. Un grand nombre de macromolécules ont des rôles actifs très spécifiques.

Une cellule vue au microscope optique présente un grand nombre de structures diverses, des organelles qui ont des rôles variés et spécifiques. Une activité dynamique, le transport des organelles et des matériaux, s'y déroule grâce aux protéines qui existent en très grand nombre et jouent un rôle dans tous les processus actifs.
Avant la division cellulaire, les chromosomes des cellules se condensent pour pouvoir se dupliquer. Cette opération est réalisée grâce à un grand nombre de protéines qui se fixent alors sur l'ADN. Ensuite, les chromosomes subissent un mouvement assez irrégulier. Ils s'alignent, puis des structures moléculaires, des moteurs, les tirent depuis les coins opposés de la cellule pour les séparer. La cellule peut alors se diviser et les chromosomes se décondensent, ce qui leur fait perdre leur identité visible. Cette activité dynamique dans la cellule, ces fluctuations, sont dues aux milliers de protéines qui travaillent ensemble. Elles créent ensemble un phénomène bien déterminé qui sépare les chromosomes.
Le monde des protéines n'est pas visible avec un microscope optique qui ne permet de distinguer que les grandes structures et les phénomènes qui se déroulent à l'échelle du micromètre. À cette échelle il n'est pas possible de voir l'existence de filaments, appelés microtubules, et qui sont organisés autour de deux centres aux pôles de la cellule. Ils croissent à partir de ces centres pour s'attacher aux chromosomes. Ils Suvrent dans des phénomènes qui permettent d'aligner les chromosomes. Ensuite, des petits moteurs utilisent la polarisation des filaments pour tirer les chromosomes vers les deux pôles de la cellule. Ces filaments appartiennent au cytosquelette des cellules eucaryotes - les cellules qui possèdent un noyau.
Le cytosquelette est un réseau tridimensionnel de filaments essentiels pour la stabilité et les propriétés mécaniques de toutes les cellules vivantes. Il est constitué de deux types de filaments : les microtubules et l'actine. Nous venons de voir que les microtubules sont impliqués dans la division cellulaire. Les filaments sont de vrais nano-objets biologiques qui se forment à partir d'unités identiques qui cristallisent pour former des structures linéaires de quelques nanomètres de diamètre. Il est très important de noter qu'il s'agit de structures polaires qui donnent une orientation. Cette orientation est essentielle pour les phénomènes de transports car elle donne une direction au mouvement.

Le cytosquelette est impliqué dans un grand nombre de phénomènes dynamiques des cellules vivantes, comme les divisions cellulaires. Les protéines les plus importantes impliquées dans cette activité sont les moteurs moléculaires. Elles sont capables au niveau d'une molécule individuelle d'induire du mouvement et des forces.
Un moteur moléculaire est une grande macromolécule, une protéine qui se lie spécifiquement à un des filaments du cytosquelette et qui est capable de créer des déplacements dans une direction donnée par la polarité. Si un objet est attaché à cette molécule, il peut être transporté dans la cellule. Trois familles de moteurs sont distingués : kinésine, dynésine, myosine. Les kinésines travaillent avec les microtubules alors que les myosines sont impliquées avec l'actine dans la contraction musculaire.
La création de mouvement nécessite un carburant, une source d'énergie. Dans le cas des moteurs moléculaires, la molécule de triphosphate adénosine (ATP) sert de carburant. Lors d'une réaction chimique elle perd un groupe phosphate, ce qui libère de l'énergie qui est utilisée pour faire bouger le moteur. Une molécule de carburant ATP se lie au moteur, une réaction chimique se produit, un phosphate P est coupé. Les deux produits de la réaction, diphosphate adénosine (ADP) et P, se détachent du moteur qui revient à son état initial. Une molécule de carburant a été consommée et a libéré de l'énergie.
Il est possible d'observer directement, sous le microscope, les mouvements générés par le moteur moléculaire. Des filaments sont greffés sur une surface de verre. Des petites billes artificielles de latex sont couvertes par des moteurs en très faible quantité. Par l'intermédiaire des moteurs, les billes ont tendance à s'attacher spécifiquement aux filaments. Lorsque le carburant est ajouté au système, les billes commencent à se déplacer le long des filaments. Pour chaque filament donné, les billes se déplacent dans le même sens car l'orientation du mouvement est donnée par la polarité des filaments.

L'étude des molécules in vitro ne se limite pas à l'observation des mouvements des molécules individuelles. Il est également possible de les manipuler en exerçant sur elles des forces extérieures et de mesurer les forces induites en utilisant des pinces optiques. Il s'agit de faisceaux lasers qui passent par l'objectif du microscope optique. Le faisceau est focalisé dans la région observée. La grande intensité de lumière et le fort champ électrique au focus du laser attirent les particules polarisées. En présence du focus, la bille subit une force qui l'attire. Si elle tente de se déplacer, elle doit le faire en travaillant contre cette force extérieure. Si le focus du laser suit le mouvement de la bille, la molécule de moteur est manipulée par l'application d'une force extérieure constante.
L'équipe américaine de Steve Block [Visscher, Schnitzer et Block, Nature 400, 184 (1999) et Schnitzer et Block, Nature 388, 386 (1999)] a suivi le mouvement de la bille par un laser, appliquant ainsi une force constante. L'observation du moteur à très grande résolution, quelques nanomètres, montre qu'il bouge de manière stochastique. Il bouge cependant en moyenne dans une direction en dépit des effets aléatoires et des fluctuations. Dans certaines conditions, il est possible d'observer que le moteur avance à petits bas qui correspondent à la périodicité des filaments sur lesquels il s'attache. La périodicité de 8 nm devient ainsi visible.
Cette technique de manipulation permet de caractériser des comportements mécaniques du moteur moléculaire au niveau d'une molécule individuelle. Il est possible d'imposer une force constante comme nous venons de l'expliquer, et de mesurer la vitesse moyenne réalisée par le système. Lorsqu'il n'y a pas de force extérieure qui s'exerce et que la concentration en carburant est assez élevée pour ne pas être limitante, la vitesse peut atteindre 1 micromètre par seconde. Si une force extérieure est appliquée et s'oppose au mouvement, le système va ralentir. Dans l'exemple que nous présentons, la force maximale que le système peut supporter est de quelques piconewton (1 pN = 10-12 N). Les forces générées par une seule molécule sont donc extrêmement faibles.
La contraction musculaire constitue notre second exemple de génération de mouvements et de forces par des molécules biologiques.
Un muscle est constitué d'un grand nombre de fibres parallèles. Chaque fibre musculaire est en fait une cellule vivante spécialisée pour créer des mouvements et se contracter. Une fibre musculaire observée plus en détail montre qu'elle est elle-même constituée de fibres plus petites appelées myofibrilles.

Chaque myofibrille contient des unités qui sont capables de se contracter : deux séries de tubes de filaments arrangés en parallèle. Il s'agit de filaments d'actine que nous avons déjà évoqués et de filaments créés par un assemblage de moteurs moléculaires appelés myosine. Les molécules de myosine interagissent en grand nombre avec l'actine et en présence de carburant elles font glisser les filaments les uns par rapport aux autres, créant la contraction de ces structures. Ces structures sont arrangées en série et en parallèle en très grand nombre ce qui permet la contraction musculaire à grande échelle que vous connaissez bien.
Il est possible de mesurer les phénomènes de génération de force des molécules de myosine sur l'actine au niveau d'une molécule individuelle. Dans un même temps, nous pouvons suivre comment les molécules de carburant sont consommées. [T. Yanagida, Cell 92, 161 (1998)]
Le principe de l'expérience est similaire à celui que nous avons présenté précédemment. Des moteurs de myosine purifiés sont attachés sur un substrat de verre. Deux pinces optiques sont utilisées pour manipuler un seul filament d'actine. Des billes sont attachées sur les filaments et deux focus de laser rapprochent les filaments des moteurs permettant de mesurer les mouvements des billes sous l'effet des forces extérieures et des moteurs.
Cette expérience permet également de mesurer la consommation de carburant en utilisant un carburant modifié fluorescent, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est éclairé par un laser. Un laser est placé en dessous du dispositif pour éclairer la région où se trouve le moteur. Lorsque le carburant se fixe au moteur il émet de la lumière. Le carburant est utilisé à très faible concentration pour pouvoir observer l'arrivée d'une molécule individuelle de carburant au niveau du moteur. Deux actions simultanées se produisent alors. Le filament se détache du moteur, ce qui est mesurable par le mouvement des billes, et de la lumière est émise par la molécule de carburant qui est éclairée. La réaction chimique se produit, le phosphate est coupé. Le moteur se fixe à nouveau au filament, le produit de la réaction chimique se détache du moteur au moment du mouvement du moteur et la lumière correspondant à la molécule de carburant s'éteint.
Cette expérience permet donc à la fois de suivre les très faibles déplacements de quelques nanomètres activement créés par la molécule individuelle, et d'observer le couplage direct avec la réaction chimique d'une seule molécule de carburant.
Ce qui est réellement observé, ce sont des traces lumineuses. Celle qui suit le mouvement de la bille présente des sauts très rapides qui correspondent aux changements du moteur. Ces derniers créent des petites déformations et des déplacements de 10 à 20 nanomètres. La trace qui suit la fluorescence émise par le carburant fait des sauts en même temps que le moteur, ce qui indique que le carburant a subi la réaction chimique et s'est détaché du moteur.
Les exemples que nous venons de voir constituent des moteurs linéaires qui se déplacent le long de filaments. Nous allons maintenant prendre un troisième exemple, celui d'une macromolécule capable de créer des rotations : un moteur rotatif. La structure de cette molécule, la synthase ATP qui produit l'ATP dans les cellules, est très complexe. Elle est constituée de deux parties. La première utilise un gradient de protons pour opérer une rotation à la suite de laquelle la seconde partie, appelée F1, utilise le travail mécanique de cette rotation pour créer le carburant ATP. La molécule est capable de se lier aux produits de la dégradation de l'ATP, ADP et P, pour créer à nouveau de l'ATP. La structure atomique de cette molécule est connue grâce aux travaux de diffusion de rayons X de John Walker qui a obtenu le prix Nobel en 1997 pour ces recherches.

L'équipe japonaise de Kinoshita [Kinoshita, Cell 93, 21 (1998)] a observé directement ces rotations. Les chercheurs ont purifié la partie F1 pour la greffer sur un substrat. Ils ont ensuite ajouté du carburant ATP. Le système travaille alors à l'envers et utilise l'ATP pour créer des rotations. Pour observer ces rotations, il faut attacher à la région qui tourne quelque chose de visible. Les chercheurs ont fixé par des techniques biochimiques un filament d'actine qui est suffisamment long pour être visible au microscope optique. Ils ont observé qu'en présence de carburant le filament tourne autour du point où se trouve le moteur. Il s'agit d'une preuve qu'une molécule individuelle peut produire des mouvements rotatifs. La synthase ATP constitue donc bien un moteur rotatif.
L'étude en détail des propriétés du mouvement rotatif de la synthase ATP permet de caractériser les propriétés stochastiques et mécaniques de ce système. À nouveau, l'expérience montre que les mouvements se font par petits pas selon un angle préférentiel de 120°. Le suivi de l'angle en fonction du temps montre ces pas et met en évidence que, de temps en temps, il y a des mouvements en arrière, des petites erreurs. Le système fonctionne donc de manière stochastique et « en moyenne » il tourne bien.
La connaissance de la structure atomique de la protéine synthase ATP permet d'avoir une certaine idée de comment le système change de conformation pendant qu'il tourne. Un modèle théorique a été développé. Il suppose qu'il y a trois angles préférés.
Quels sont maintenant les principes physiques qui sont à l'origine du fonctionnement d'un moteur qui travaille à l'échelle moléculaire individuelle. Nous allons discuter une certaine idée générale qui distingue ce genre de système ayant des moteurs macroscopiques.
Il y a deux conditions nécessaires pour qu'un système situé dans un environnement visqueux puisse produire des mouvements spontanés. Premièrement, la structure doit être asymétrique, c'est-à-dire qu'il doit y avoir une différence entre un mouvement vers la gauche et un vers la droite. Deuxièmement, une source d'énergie est indispensable pour bouger spontanément. Le principe de Curie (Pierre Curie) énonce que si ces deux conditions sont satisfaites, le système va bouger.
Par ailleurs, les moteurs à l'échelle moléculaire sont sujets à des fluctuations. Celles-ci peuvent être d'origine thermique. Ainsi, des petites molécules bougent de manière aléatoire, dans tous les sens, avec un mouvement très rapide, à température ambiante. D'autres fluctuations sont liées à la stochasticité et au fait que les réactions chimiques se passent de manière aléatoire.
Les chercheurs se sont demandés s'ils pourraient utiliser ces fluctuations et les transformer en mouvement dirigé par une certaine rectification. Dans les années 1960, Richard Freyman a eu l'idée d'utiliser un « cliquet thermique » pour rectifier les fluctuations. Il a utilisé une roue à dents avec des petites voiles placée dans un liquide à température ambiante. Des forces aléatoires agissent sur le dispositif et le font fluctuer dans les deux sens. Pour l'orienter dans une direction, il a utilisé une roue avec un cliquet qui bloque les mouvements ne permettant que les mouvements spontanés vers l'avant. Le mouvement est ainsi dirigé. Une source d'énergie est indispensable au mouvement. Le dispositif est placé en contact avec une différence de température qui fournit l'énergie nécessaire.


Pour appliquer ce genre de modèle au fonctionnement des moteurs macromoléculaires biologiques il faut apporter des modifications importantes. À l'échelle moléculaire il n'est pas possible, par exemple, de créer des gradients de température. Par contre, une structure asymétrique comme le filament, peut jouer le rôle de la roue à dents et du cliquet. La source d'énergie sera, dans ce cas, la réaction chimique. La répétition de la réaction chimique provoque la répétition du changement de conformation du moteur. Les changements de conformation sont sujets à des fluctuations qui peuvent être rectifiées grâce au filament asymétrique. Ce système est caractérisé comme un cliquet isothermique ayant comme source d'énergie la réaction chimique.
Il est possible de décrire la physique de la transduction de l'énergie chimique pour créer un mouvement du filament avec l'idée que la chimie induit des changements de conformation du moteur. Pour chaque conformation, on caractérise l'interaction entre le moteur et son filament par un paysage énergétique.
Un moteur avec une seule tête présente un état détaché qui ne contribue pas à la force et un état attaché avec un paysage énergétique dont les minima correspondent au site d'attachement. Le système trouve toujours les points où il est le mieux attaché. Le principe de Curie nous explique alors que si le système change périodiquement de conformation, il va avancer le long du filament.
Cette description peut être généralisée aux cas un peu plus complexes comme celui des moteurs à deux têtes identiques. Dans ce cas, une des têtes reste attachée au filament ce qui change le diagramme énergétique. De l'état relaxé, le diagramme va vers de nouveaux niveaux d'énergie où le système est mieux attaché. Le moteur avance le long du filament en changeant d'une tête à l'autre pendant qu'il avance.
Ce modèle permet une description quantitative du phénomène de transduction de l'énergie de sa forme chimique au travail mécanique. Il permet également de discuter la qualité de la transduction de l'énergie dans ces systèmes, qui est caractérisée par le rendement.


Le rendement correspond au travail produit par la molécule, divisé par l'énergie chimique consommée. L'énergie produite ne pouvant être plus grande que l'énergie consommée, l'optimum du rendement est 100 %. Cette quantité est en principe mesurable avec des techniques de micromanipulation. Par exemple, le travail mécanique est directement lié au produit de la force et de la vitesse qui sont mesurables, comme nous l'avons montré précédemment. L'énergie chimique consommée est liée à l'énergie libre de la réaction chimique qui prend place. Pour le cas du moteur rotatif, la synthase ATP, le rendement a été mesuré. Il est supérieur à 80 %, ce qui montre qu'un moteur travaillant en présence de fluctuations à très petite échelle, dans un environnement visqueux, est bien capable de transduire l'énergie avec un très bon rendement. Ce résultat est impressionnant.
Les moteurs et les macromolécules actives que nous avons présentés travaillent dans des cellules vivantes où ils ne sont pas seuls mais intégrés dans des structures complexes avec un très grand nombre d'autres protéines actives. Le grand nombre de protéines intégrées ensemble induit des comportements et des structures différents de ce qui est observé à l'échelle de la molécule individuelle. Nous allons donner maintenant quelques exemples de structures actives plus complexes et de leur comportement.

Le premier exemple est celui des cils et des flagelles. Les cils sont des structures ressemblant à des cheveux qui entourent par exemple un organisme unicellulaire. Ils sont capables de générer des mouvements, de battre périodiquement, permettant ainsi à des organismes unicellulaires de nager dans une solution. Des structures analogues à ces cils sont également trouvées dans la queue des spermatozoïdes. Ces structures sont très conservées, c'est-à-dire que de nombreux animaux différents ont des cellules très différentes possédant ces mêmes structures. Ces cils présentent des filaments, des microtubules, arrangés de manière très particulière. Neuf microtubules sont organisés pour former un cylindre de diamètre d'environ 300 nanomètres, visible en microscopie électronique. Sur chaque microtubule se trouvent des protéines, des moteurs, attachés à très haute densité. Ils connectent les microtubules voisins, créant des forces internes dans les structures. Ces forces font glisser les microtubules les uns par rapport aux autres ce qui permet des flexions. Les moteurs induisent le glissement et si celui-ci n'est pas possible il y a friction.
Le grand nombre de protéines présentes et couplées aux filaments élastiques, permet des effets collectifs. Par auto-organisation, la structure peut produire des comportements tels que des mouvements oscillatoires, des battements ou la génération d'ondes de flexion.
Le deuxième exemple est celui des cellules capables de détecter des stimuli mécaniques. Certaines cellules de l'oreille interne, la cochlée, sont capables de détecter les sons. Ces cellules spécialisées sont appelées des cellules ciliées car elles possèdent une structure particulière avec une touffe ciliaire. Celle-ci est constituée d'extensions ressemblent à des doigts, formées de filaments d'actine, qui sont connectées par des fibres extrêmement minces. Cette structure est capable de détecter des déformations très faibles de moins d'un nanomètre. Nous savons maintenant que ces structures ne sont pas seulement des détecteurs passifs, mais qu'ils sont aussi capables de créer des mouvements spontanés. Ils contiennent des protéines, des moteurs moléculaires, qui bougent spontanément pour amplifier les stimuli faibles.

Les macromolécules biologiques que nous avons décrites sont extraordinaires car elles correspondent à ce que les chercheurs tentent d'imiter en créant des systèmes artificiels. Les résultats obtenus à l'heure actuelle ne sont pas très avancés mais les premières démarches sont prometteuses. Les recherches que nous allons présenter maintenant ont pour objectif de réaliser des structures artificielles capables de travailler comme des moteurs moléculaires. S'il n'est pas encore possible de fabriquer avec les technologies de micro-structuration des objets artificiels de petite taille qui agissent comme les moteurs, il est possible d'utiliser un moteur biologique pour faire bouger un objet artificiel. Un groupe américain a ainsi créé des petits éléments d'un diamètre de quelques dizaines de nanomètres, en nickel, qui sont attachés à des moteurs actifs dans la synthèse de l'ATP. La molécule de synthase ATP est purifiée puis attachée par des techniques biochimiques spécifiques. Ils ont ensuite fabriqué des petites baguettes de quelques dizaines à centaines de nanomètres, en nickel également, qui sont attachées à la partie mobile. En présence du carburant biologique, l'ATP, le moteur biologique commence à tourner ce qui entraîne le mouvement des petites structures artificielles.


D'autres équipes tentent de réaliser des moteurs artificiels. Ils essaient pour cela d'imiter le modèle du cliquet thermique en réalisant une molécule complexe ayant les mêmes propriétés. La molécule est constituée de deux parties plus une sorte de voile à l'extérieur qui est attachée par une liaison covalente. La voile tourne, la deuxième partie de la molécule revient en avant et bloque un peu la rotation, créant un obstacle. Cette asymétrie permet d'orienter le mouvement dans une direction. Le système ne peut tourner spontanément sans une source d'énergie. L'agitation thermique permet une fluctuation mais insuffisante pour une rotation directionnelle dirigée. L'énergie a été fournie au système de manière similaire aux moteurs biologiques : il s'agit d'utiliser une réaction chimique qui modifie la molécule. À chaque pas chimique, la structure est changée un peu. Le moteur obtenu n'est pas très pratique car il ne tourne pas rapidement. En effet, il faut laver la solution et ajouter des substances à chaque pas chimique. Cet exemple permet cependant de montrer qu'en principe, un système artificiel de ce type est réalisable mais pas encore praticable sous cette forme. Il est extrêmement long et pas du tout efficace.


Les cellules vivantes utilisent depuis très longtemps des structures moléculaires complexes ayant des fonctions diverses. Elles sont capables de fabriquer ces structures d'une manière précise. L'objectif des nanotechnologies est de réaliser technologiquement des structures précises. La cellule va plus loin puisque l'information qui permet de fabriquer ces structures complexes à l'échelle moléculaire est stockée, sous forme d'information génétique, également à l'échelle moléculaire, sur les molécules d'ADN. Il existe dans les cellules vivantes un grand nombre de protéines qui sont responsables de l'édition de cette information : elles la lisent, la copient, la corrigent et enfin fabriquent les protéines.
L'information génétique est définie par la séquence de quatre groupes chimiques ou « lettres » constituant l'ADN. Cette structure a été proposée dans les années 1950 par Watson et Crick. Des machines dans la cellule, les ribosomes, ont pour rôle de lire la séquence du code génétique qui est constituée d'ensemble de trois lettres correspondant aux groupes chimiques constituant les protéines, les acides aminés. Le ribosome lit le triplet, cherche le bon groupement chimique et produit une chaîne d'acides aminés. La chaîne linéaire des acides aminés est appelée la structure primaire de la protéine. Elle correspond à ce qui est écrit dans le code génétique. Les attractions entre les acides aminés créent un repliement de la structure linéaire en hélice, ce qu'on appelle la structure secondaire. Les hélices se replient ensuite pour constituer une structure tridimensionnelle complexe appelée structure tertiaire. Plusieurs molécules très complexes vont ensuite s'auto-assembler et former le produit final, par exemple la synthase ATP.

Cette série de conférences sur les nanotechnologies présente les développements intéressants des microstructurations et des manipulations à petite échelle. Nous commençons à rêver de créer des systèmes un peu comparables à ceux présents dans les cellules vivantes. La complexité des systèmes fait que nous sommes encore très loin de seulement imiter ce que réussissent à faire les systèmes vivants. Les développements en nanotechnologies vont également fournir de nouvelles techniques pour observer et étudier les systèmes biologiques et mieux comprendre comment les cellules arrivent à réaliser ces phénomènes complexes à l'échelle moléculaire.
*Transcription réalisée par Juliette Roussel

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La mélatonine maternelle est un horoscope endocrinien

19 juillet 2017    RÉSULTATS SCIENTIFIQUES

La mélatonine, une hormone dont la production nocturne varie pendant l’année, synchronise les fonctions biologiques avec les saisons chez l’adulte. L’équipe de Valérie Simonneaux à l’Institut des neurosciences cellulaires et intégratives, montre comment les changements saisonniers de la mélatonine maternelle, connue pour traverser la barrière placentaire, agit sur la production d’hormones thyroïdiennes dans l’hypothalamus des fœtus de rongeurs pour programmer leur développement futur. Cette étude a été publiée le 17 juillet 2017 dans la revue PNAS

La mélatonine est une hormone des saisons car sa production nocturne est d’autant plus importante que les nuits sont longues (en hiver). Son rôle dans la synchronisation saisonnière des fonctions biologiques comme la reproduction, la prise alimentaire ou le sommeil est bien établi chez les adultes. L’équipe de Valérie Simonneaux, en collaboration avec David Hazlerigg à l’Université de Tromso (Norvège), a étudié les mécanismes par lesquels la mélatonine maternelle affecte également le développement fœtal et ceci différemment selon les saisons.

Avant la naissance, les fœtus ne produisent pas de mélatonine mais ont déjà des récepteurs fonctionnels qui peuvent être activés par la mélatonine maternelle capable de traverser la barrière placentaire. La mélatonine maternelle régule différemment le développement métabolique et reproducteur de petits hamsters sibériens selon que la période de gestation et de lactation de leurs mères s’est déroulée en photopériode courte (hivernale) ou en photopériode longue (estivale). Les chercheurs ont montré que la mélatonine maternelle agit sur l’hypophyse du fœtus en développement pour contrôler, via la production de thyréostimuline (TSH), l’expression d’enzymes impliquées dans le métabolisme des hormones thyroïdiennes et localisées dans des cellules gliales spécialisées, les tanycytes de l’hypothalamus. Ainsi à la naissance, les petits issus de mères gestantes en photopériode courte ont une production d’hormones thyroïdiennes hypothalamiques inférieure à celle des petits issus de mères gestantes en photopériode longue.

Cette régulation différentielle par la mélatonine maternelle programme la sensibilité des tanycytes à la TSH après la naissance. En effet, lorsque les hamsters sont ensuite élevés en conditions environnementales similaires, les jeunes issus de mères gestantes en photopériode courte ont une sensibilité des tanycytes à la TSH augmentée qui se traduit par une production accrue d’hormones thyroïdiennes localement dans l’hypothalamus. Cette hyperthyroïdie locale est associée à une accélération du développement des systèmes métabolique et reproducteur des petits nés en photopériode courte.

Les résultats de cette étude décrivent une nouvelle voie transplacentaire codant un calendrier interne qui programme le développement des fonctions cérébrales.
Cette étude a bénéficié d'un co-financement du CNRS et de l'Université de Strasbourg.
 

Figure : La production de mélatonine par la glande pinéale est plus importante en hiver (photopériode courte) qu’en été (photopériode longue). La mélatonine maternelle qui traverse la barrière placentaire aura par conséquent des effets différentiels sur le développement fœtal selon que la gestation ait lieu en hiver ou en été. Ainsi, le développement métabolique et reproducteur de hamsters sibériens issus de mères gestantes en photopériode courte est plus rapide que celui de hamsters issus de mères gestantes en photopériode longue, même si les deux groupes de hamsters sont élevés en conditions environnementales similaires après le sevrage. Cet effet programmateur de la mélatonine maternelle s’exerce via une plus grande sensibilité à la thyréostimuline (TSH) des tanycytes de l’hypothalamus pour activer la déiodinase 2 (DIO2) et donc la production d’hormone thyroïdienne (T3) chez les hamsters nés de mères gestantes en photopériode courte.
 
 
 
 
En savoir plus
*         Maternal photoperiod programs hypothalamic thyroid status via the fetal pituitary gland.
Cristina Sáenz de Miera, Béatrice Bothorel, Catherine Jaeger, Valérie Simonneaux, and David Hazlerigg 
PNAS 2017 ; published ahead of print July 17, 2017, doi:10.1073/pnas.1702943114
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Valérie Simonneaux

03 88 45 66 71

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DÉVELOPPEMENT ET ÉVOLUTION DU SYSTÈME NERVEUX

Conférence du 24 janvier 2000 par Alain Prochiantz. On découvrit dans les années 1970, chez une mouche, la Drosophile, des mutations conduisant au remplacement de tout ou partie d'un organe par un autre organe. On observa, par exemple, des transformations de type antenne-patte, aile-balancier, ou aile-oeil. Ces mutations ont été dites homéotiques, l'organe d'un segment étant remplacé par l'organe homologue d'un autre segment. Les gènes homéotiques codent pour des facteurs de transcription qui, en se fixant sur des séquences promotrices, régulent l'expression d'autres gènes. Ces observations ont conduit à découvrir, dans tous les embranchements du règne animal, la présence de gènes présentant de fortes homologies de structure avec les gènes homéotiques de la Drosophile et de conclure que ces gènes régulent le développement morphologique des vertébrés. Par ailleurs, ces homologies entre gènes de vertébrés et d'arthropodes doublées de similitudes dans leur organisation chromosomique "démontrent" l'existence d'un ancêtre commun aux vertébrés et aux arthropodes qui aurait vécu il y a environ 600 millions d'années. Tout en traçant notre lien de parenté avec les arthropodes, cette conférence montre aussi à quel point nous sommes différents de ces cousins dont nous nous sommes séparés il y a environ 600 millions d'années. On voit donc apparaître ici deux stratégies d'adaptation. Chez les invertébrés, la forme adulte de l'organisme et ses comportements sont presque présents dans la structure génétique. Chez les vertébrés, les stratégies de développement, tout en définissant un plan contraignant, laissent une grande liberté aux détails de la construction cérébrale dont des aspects importants de la structure se modifient tout au long de l'existence. De ce fait, chez les vertébrés et au plus haut point chez l'homme, c'est l'histoire même des individus qui s'inscrit dans la structure cérébrale par un processus ininterrompu d'individuation.


Le développement et l'évolution du système nerveux.

Notre propos traitera d'embryologie, pas d'embryologie humaine bien que certains aspects du développement des autres espèces soient aussi valables pour celui de l'Homme. Nous avons, en effet, beaucoup à partager avec les autres animaux, voire avec les champignons et les plantes.

S'il fallait donner une définition de l'embryologie elle serait relativement simple. L'embryologie est l'ensemble des processus qui mènent de l'oeuf, à partir du moment où le spermatozoïde et l'ovule l'ont formé, à l'organisme adulte ou imago. Ainsi sous le terme d'embryologie, deux processus se confondent ou se superposent :

- fabriquer l'imago c'est-à-dire faire un individu dont la forme est représentative de l'espèce ;

- fabriquer un individu particulier qui diffère des autres membres de son espèce.

Ces deux processus sont inscrits l'un dans l'autre et, selon l'espèces ou l'embranchement – la place occupée dans l'histoire de l'évolution - ils n'ont pas forcément la même importance. Fondamentalement l'embryologie est question de formes et question de temps. À partir d'un oeuf se construit un individu dont la forme, l'imago, est spécifique de l'espèce. Un oeuf c'est une cellule alors qu'un individu c'est plusieurs milliards de cellules. Il y a donc une immense prolifération du nombre de cellules à partir de l'oeuf. Par ailleurs, un individu est constitué de plusieurs types de tissus, musculaire, nerveux, hépatique. Ces tissus se forment à partir de trois feuillets embryonnaires : le mésoderme donnera les muscles et les os, l'ectoderme le système nerveux et la peau, l'endoderme le tube digestif, les poumons et les glandes annexes du tube digestif comme le foie, le pancréas, la thyroïde.

Les résultats sur la première étape de formation du tissu nerveux - l'induction neurale - ont été initialement obtenus chez le crapaud Xénope mais ils sont également vrais pour le poulet, et dans les grandes lignes pour la souris et l'Homme. Au départ, à partir de la cellule initiale, une phase de prolifération mène au stade de la morula, puis de la blastula qui précède la gastrulation et l'induction neurale. La blastula est une sorte de boule creuse avec des cellules à la surface. Le système nerveux va se développer à partir de la surface extérieure dorsale de cette boule. Au cours de la gastrulation cet ectoderme dorsal est induit à devenir de l'ectoderme neural c'est-à-dire à former du système nerveux.

L'induction neurale a été découverte dans les années 1930-40 par Mangold et Spemann à la suite d'expériences dans lesquelles ils greffaient des morceaux d'embryon de Triton blanc dans un embryon de Triton noir, histoire de distinguer tissu receveur et tissu donneur. En prenant une région particulière du Triton blanc et en la greffant dans la région ventrale d'un oeuf de Triton noir, ils se sont rendus compte qu'ils dorsalisaient la région ventrale de ce dernier. Au lieu d'avoir un Triton normalement constitué ils ont obtenu un Triton à deux dos dans lequel il n'y avait pas de partie ventrale. Ils avaient induit la formation d'un deuxième système nerveux central.

À la suite de ces expériences, de nombreux chercheurs ont cherché à identifier la nature moléculaire de ces inducteurs neuraux présents dans cette petite région inductrice et mésodermique qui mise au contact de la région ventrale modifie destin embryonnaire. Cette recherche des inducteurs neuraux qui dure depuis plus de 60 ans n'est - à ce jour - toujours pas totalement aboutie. Dans la suite du développement, le triton s'allonge et à la surface dorsale se constitue une plaque neurale. Cette plaque neurale ne va donner naissance au tube neural qu'après avoir été internalisée par l'embryon.

Dans le développement du système nerveux, comme dans le développement en général, l'information positionnelle joue un rôle très important. On peut voir le système nerveux comme une plaque, une feuille sur laquelle on peut tracer un quadrillage. Une fois qu'elle s'est refermée en tube, la plaque reste quadrillée. Il y a une orientation dorso-ventrale et une orientation antéro-postérieure. Si chacun de ces carrés était défini par l'expression d'une catégorie de gènes, d'un algorithme génétique, on serait capable de définir la position de n'importe quelle cellule à partir de la connaissance des gènes qu'elle exprime. Considérer le système nerveux comme un plan et considérer ce problème de l'information positionnelle comme le problème d'un quadrillage du plan peut aider à comprendre énormément de questions qui sont posées sur la construction du système nerveux.

L'information positionnelle signifie qu'une cellule dans une région donnée, quand le tube neural s'est fermé et différencié, donnera naissance à un type de cellules bien déterminé par exemple spécifique du cortex frontal ou du bas de la moelle épinière. Pourtant, au départ, au moment où la plaque neurale se forme, les cellules sont extrêmement semblables. Beaucoup plus tard, les réseaux neuronaux seront construits. Les neurones sont amenés à envoyer un axone, un prolongement, vers une autre région pour former une synapse, un contact neuronal. La navigation du cône de croissance, la tête chercheuse du neurone, doit être précise. Le cône de croissance doit être capable, dans l'espace tridimensionnel du système nerveux, de retrouver une cible parfois très éloignée. Le quadrillage de l'information positionnelle est fondamental pour que le cône de croissance connaisse sa position et sache où il doit se diriger et quand il doit s'arrêter, c'est-à-dire pour construire un système nerveux fonctionnel.

Nous allons maintenant faire une parenthèse sur le concept d'information positionnelle et ce qu'on appelle les gènes de développement. Les gènes sont d'importance variable. Ainsi les gènes qui contrôlent la forme et la couleur des poils, la couleur des yeux, sont importants d'un point de vue esthétique mais ne sont pas fondamentaux pour ce qui est du développement de l'embryon. Par contre, il existe des classes de gènes dits de développement, qui - eux – sont essentiels pour ce qui est de la forme de l'embryon et de son développement.

La découverte de gènes dont les mutations modifiaient la forme a constitué une avancée considérable dans la compréhension de comment se construit un organisme. La grande percée a eu lieu chez la mouche du vinaigre, Drosophile, chez laquelle des généticiens du début du siècle, surtout l'école de Morgan, ont démontré que certaines mutations pouvaient transformer un organe en un autre, par exemple l'oeil en aile (mutation ophtalmoptera). Ces mutations monstrueuses suggérèrent que les gènes mutés étaient responsables du développement morphogénétique de ces petits amas de cellules embryonnaires qu'on appelle des disques imaginaux à l'origine des différents organes de la mouche. Ces gènes ont été clonés chez la mouche. Ils ont été appelés homéogènes parce que leur

mutation entraîne la transformation de l'organe d'un segment de la mouche en l'organe homologue d'un autre segment (l'aile en oeil ou l'antenne en patte, par exemple). L'existence de ces gènes lie le développement à l'évolution. En effet la compréhension de la transformation d'un organe en un autre permet de comprendre comment se sont formés des monstres au cour de l'évolution. Il est probable que beaucoup de processus de création de nouvelles espèces (les monstres qui ont réussi) sont liés à des modifications du nombre, du lieu d'expression et surtout du temps d'expression de ces gènes qui influent sur le développement morphologique des animaux et des plantes. Ces gènes homéotiques codent pour des facteurs de transcription c'est-à-dire des protéines qui restent dans le noyau des cellules et qui régulent l'expression d'autres gènes. Ce sont des gènes architectes qui contiennent le plan de la mouche et décident de la position des différents organes. Ils régulent d'autres gènes qui, eux, fabriquent réellement les organes. Ces gènes de développement sont au centre de réseaux génétiques. Une des grandes difficultés de la biologie du développement aujourd'hui est de comprendre quels sont les gènes dont l'activité est régulée par les gènes de développement, lesquels sont maintenant pratiquement tous identifiés dans le règne animal.

Chez la mouche, ces gènes de développement sont disposés le long d'un chromosome. Une chose tout à fait étonnante est que les gènes "en avant" du chromosome, en 3', sont exprimés dans les régions les plus antérieures de l'animal et que les gènes en 5', "en arrière" du chromosome, sont exprimés dans les régions les plus postérieures. D'une certaine façon la mouche est représentée sur le chromosome par la disposition des gènes de ce complexe homéotique. Quand le génome passe de la génération x à la génération x+ 1, le plan de l'animal, de l'imago, qu'il va falloir construire est transmis.

Ces facteurs de transcription, produits de ces gènes de développement - gènes du complexe HOM - se fixent à l'ADN car ils doivent réguler l'expression d'autres gènes. Ils se fixent par une petite séquence d'environ 60 acides aminés, appelée l'homéodomaine et codée par l'homéoboîte. Tous ces gènes chez la mouche ont pratiquement la même homéoboîte. Ils constituent donc une famille. Grâce à cette signature de l'homéoboîte cette même famille a été retrouvée chez la souris et chez l'Homme. Chez les vertébrés, ces gènes sont disposés non pas sur un mais sur quatre chromosomes et les gènes de ces quatre complexes HOM/Hox ont à peu près les mêmes propriétés que ceux de la mouche. Ils sont exprimés à l'avant de l'embryon quand ils sont en 3' du chromosome et à l'arrière des axes embryonnaires quand ils sont en 5' du chromosome. En analysant les gènes de mouche et de souris il a été observé que le remplacement d'un gène de mouche par un gène placé à la même position sur un des quatre chromosomes de la souris, permet de réparer la mouche. Cette complémentation marque une homologie à travers l'évolution ou encore une orthologie. À partir de la constatation de ces orthologies, on peut tirer la conclusion qu'il existe un ancêtre commun aux arthropodes et aux vertébrés. Cet ancêtre aurait vécu il y a 600 millions d'années, soit avant l'explosion du précambrien. L'évolution a alors suivi deux voies différentes l'une vers l'embranchement des arthropodes, l'autre vers celui des vertébrés. Deux duplications chromosomiques ont probablement permis la formation des quatre complexes qui sont la signature des vertébrés.

Les gènes que nous venons de décrire n'influent pas directement sur le système nerveux antérieur. Les chercheurs qui s'intéressent au cerveau ont donc utilisé une stratégie très proche en cherchant des gènes s'exprimant dans les ganglions céphaliques de la mouche. Ils ont trouvé à nouveau des gènes de la même famille, codant pour des facteurs de transcription, par exemple orthodenticle ou otd. Ayant découvert ces gènes ils ont regardé si des gènes homologues existaient dans le cerveau de la souris et en ont trouvé. Par exemple otx 1 et otx 2 qui sont assez proches de otd, s'expriment aussi dans les régions antérieures du cortex de la souris et de l'Homme et sont capables de complémenter otd. La suppression, chez la mouche, du gène otd entraîne la perte des structures céphaliques antérieures et, pour certains allèles de otd, des ocelles (trois "yeux" dorsaux). Son remplacement par otx 1 ou otx 2 de souris ou d'Homme restitue à la mouche sa morphologie normale. A l'homologie de structure et de site d'expression dans les régions antérieures du système nerveux, s'ajoute donc la

complémentation fonctionnelle. Ceci suggère très fortement que les régions antérieures existaient chez l'ancêtre commun et peut être même avant. Ainsi l'idée très développée que la céphalisation est un processus tardif de l'évolution est une idée fausse. La génétique du développement nous démontre qu'en fait la tête était là depuis le départ, au moins depuis le moment où nous nous sommes séparés de nos lointains cousins les arthropodes. Pourquoi avons-nous deux gènes otx 1 et otx 2 ? La génétique de la souris est suffisamment évoluée pour qu'on puisse retirer ou ajouter un gène à n'importe quel moment du développement. On parle de perte ou gain de fonction. La délétion de otx 2 donne une souris sans tête, c'est-à-dire sans système nerveux antérieur. C'est létal. Celle de otx 1 laisse un cerveau presque normal mais aminci du côté temporal et la souris fait des crises d'épilepsie. Surtout, elle perd le canal latéral semi-circulaire de l'oreille interne, structure qui au cours de l'évolution apparaît avec la transition des poissons sans machoires (agnathes) aux gnathostomes. Si on remplace otx 2 par otx 1 la souris commence à faire son système nerveux

mais elle ne le maintient pas. Si on remplace otx 1 par otx 2 on restitue presque toutes les fonctions de otx 1 sauf le développement du canal latéral semi-circulaire de l'oreille interne. Cela suggère qu'au départ il y avait uniquement otx 2 (orthologue de otd). Une duplication de otx 2 a rendu possible la formation de son paralogue otx 1 dont l'évolution a apporté des gains de fonction associés au passage des agnathes aux gnathostomes. L'étude des gènes de développement permet donc non seulement de comprendre le développement des organismes mais aussi l'évolution des espèces. Une nouvelle discipline est née "l'évodévo" ou développement/évolution. Il existe une très grande quantité de gènes exprimés dans les régions antéro-postérieures et dorso-ventrales du système nerveux de telle sorte que si on prend un système nerveux aplati sur lequel on trace un quadrillage, chaque région peut être définie par une combinatoire d'expression de gènes de développement. C'est en fonction de cette information positionnelle que les cellules vont donner naissance aux différents organes.

L'étape suivante dans la formation du système nerveux après la formation du tube neural à partir de la plaque neurale qui s'est refermée, c'est de le faire grossir. À partir d'une ou deux rangées de cellules il faut construire, par exemple, un cortex de 2 m2 chez Homo sapiens. Les différentes zones de cette surface ne sont pas homogènes, elles ne sont pas dévolues aux mêmes fonctions : il existe des aires olfactives, des aires associatives, des aires auditives, des aires visuelles, etc. Au cours de l'évolution la surface du cortex a augmenté et s'est régionalisée. Plis et circonvolutions permettent de tout empaqueter dans la boîte crânienne. L'augmentation générale de surface et celle ds surfaces dévolues aux fonctions spécifiques ont probablement varié à la suite de mutations de gènes de développement régulant prolifération et survie cellulaire dans des régions particulières. Par exemple, les surfaces allouées aux fonctions dites cognitives, associatives, ou permettant la maîtrise du langage, ont augmenté chez Homo sapiens plus que chez nos cousins les primates. Après la régionalisation du système nerveux, la deuxième période de ce développement permet donc la multiplication des cellules, l'organisation du cortex en six couches, la formation de toutes les structures cérébrales, la navigation axonale, la formation des synapses. Les mécanismes d'orientation d'une cellule migrante ou du cône de croissance d'un axone d'une cellule nerveuse ne sont pas encore connus même si nous savons qu'ils ont partie liée avec la lecture de l'information positionnelle, donc l'expression des gènes de développement.

Nous allons maintenant passer à des aspects un peu plus généraux. Nous avons vu tout à l'heure que nous avions au niveau chromosomique quatre représentations du corps, ce qu'on appelle des homonculus génétiques ou représentations génomiques du plan du corps. Ce plan du corps est marqué par la localisation de ces gènes de développement le long des chromosomes et par leur domaine d'expression spatio-temporel. Le cerveau est lui-même l'objet d'une construction génétique soumise à une régulation épigénétique. Par exemple, il existe dans le cortex sensoriel - sous la forme de réseaux neuronaux - une représentation du corps (donc à caractère génétique car reproduisant l'imago), mais cette représentation est déformée épigénétiquement car les régions les plus innervées sur le plan sensoriel mobilisent le plus grand nombre de neurones. La stimulation sensorielle "anime et déforme" un ensemble de neurones qui sont, pas exemple, "la main dans le cerveau".

Les réseaux neuronaux sont construits en fonction, à la fois d'une contrainte génétique, il s'agit d'un homonculus spécifique de l'espèce, et d'un environnement sensoriel. Si on coupe les afférences sensorielles, on perd le développement correct des représentations du corps au niveau du cortex. Si, chez la souris, à la naissance, on ôte les vibrisses (récepteurs sensoriels sur le museau), ils ne seront pas représentés dans le cortex, le membre sera absent. L'usage et l'influence de l'environnement sur tous les systèmes sensoriels modifient donc pour chaque individu la construction de ses représentations au niveau du système nerveux central. C'est ce qu'on appelle l'épigenèse, processus par lequel bien qu'appartenant à une même espèce, tous les individus sont différents. Le cerveau est capable d'engrammer une histoire individuelle, affective, sensorielle, une histoire de nos stimulations par le milieu. Plus nous sommes stimulés, plus nous développons des constructions épigénétiques variées. C'est vrai chez l'enfant, chez l'adolescent mais aussi chez l'adulte. En effet, une des grandes innovations des vertébrés est d'avoir gardé un système nerveux embryonnaire chez l'adulte. Ainsi, l'épigenèse se construit-elle à partir des nouveaux neurones, des arborisations neuritiques qui se

déforment, des synapses qui se font et se défont. Elle est un processus d'adaptation qui se

poursuit toute la vie. Le fait d'être du côté des arthropodes ou de celui des vertébrés a des conséquences fondamentales sur les stratégies d'adaptation. Nous partageons beaucoup avec les mouches, avec les vers et toute les études sur ces organismes sont extraordinairement importantes pour comprendre comment fonctionne et comment se construit le système nerveux des vertébrés.

Mais les logiques de nos stratégies adaptatives sont très différentes. Dans l'embranchement des arthropodes, notre grand concurrent au niveau de l'évolution, l'adaptation se fait de façon presque purement génétique. Il y a très peu d'individuation. La construction de l'individu n'est jamais très éloignée de celle de son génome. Chez les vertébrés, et encore plus chez nous parce que nous avons des systèmes de communication qui sont très riches de sens, le langage en particulier, l'adaptation ne se fait pas au niveau de la sélection de clones, elle se fait au niveau de la variabilité de l'individu, de son évolution.

L'adaptation se fait par individuation

Le système nerveux d'un individu au temps t et au temps t+δt n'est pas le même, il a évolué. L'intensité des synapses, leur nombre, le nombre de cellules, l'organisation des réseaux auront varié. Cette variation de structure biologique correspond à une évolution de l'objet, une adaptation à son milieu, une réponse à son histoire. Il y a donc de la plasticité chez l'adulte, dans certaines limites bien entendu, et cette plasticité est très certainement liée à l'expression continuée de ces même gènes de développement qui sont responsables non seulement de l'évolution, non seulement de la mise en place des grandes structures cérébrales (cortex, cervelet, moelle épinière), mais aussi de la plasticité permanente du système morphologique y compris à l'âge adulte.

La plasticité implique que de nombreuses cellules naissent, se différencient et meurent. Il existe des cellules souches dans la peau, le foie, le système hématopoïétique/immunitaire mais aussi dans le système nerveux central. Les premières ont été trouvées dans le bulbe olfactif : les interneurones du bulbe olfactif se reproduisent environ une fois par mois à partir de la zone sous-ventriculaire qui est une structure corticale située à l'avant du cerveau dont les cellules migrent pour aller envahir le bulbe. Ces cellules souches prolifèrent, migrent, se différencient comme des neurones normaux au cour du développement embryonnaire. Puis des cellules souches ont été repérées dans l'hippocampe, une structure à l'arrière du cortex qui est d'une grande importance pour la mémoire spatiale. Dans nombre de maladies neurodégénératives il y a perte de cellules au niveau de l'hippocampe. Très récemment des cellules souches ont été trouvées dans le cortex associatif du macaque. C'est une des régions la plus importante pour la mémorisation, la construction de souvenirs, pour la pensée d'une certaine façon. Le développement embryonnaire se poursuit donc sous une forme silencieuse chez l'adulte par la génération de nouvelles cellules souches qui vont migrer, se différencier et s'insérer dans des nouveaux réseaux neuronaux de la naissance à la mort. C'est une des bases de notre capacité à apprendre, de notre force d'adaptation, au niveau individuel, face aux défis qui nous sont apportés par les modifications de l'environnement physique et affectif. La question du vieillissement est donc à reposer. Pour certains, le vieillissement est une perte de fonctions à partir d'un âge idéal, une sorte de gain d'entropie catastrophique. Il peut être vu, aussi,

comme l'accumulation d'accidents du développement chez l'adulte. La biologie du développement pourrait donc nous donner des clés pour comprendre ce qu'est le vieillissement chez l'animal adulte et ce que sont de nombreuses maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer.



En conclusion, revenons sur ce que ces résultats rapportés de façon extrêmement schématiques nous disent sur ce qu'on appelle "pensée". Il existe beaucoup de confusions sur le terme de "pensée". La pensée n'est pas une substance, elle n'est pas un mécanisme. Pour un biologiste, la pensée est le rapport adaptatif que tout corps vivant entretient avec son milieu. Les arthropodes, les invertébrés, ont une pensée qui est très génétique : leur rapport au milieu est fixé, très proche de leur génome. C'est une contrainte mais c'est peut-être aussi un succès parce qu'ils se développent de façon clonale. Des mutations favorables peuvent être reproduites très vite. La connaissance que nous avons des arthropodes, dans un certain sens soutiennent les thèses sociobiologiques. Si on veut bien admettre que la pensée est le rapport adaptatif à son milieu, alors, tous les êtres, animaux et plantes, pensent. Chez les vertébrés et au plus haut point chez Homo sapiens, le milieu modifie la structure. Nos gènes font que nous sommes Homo sapiens mais ils nous donnent une très grande liberté par rapport au milieu. L'évolution a sélectionné une stratégie de développement qui fait que

chaque individu peut se modifier au cours de sa vie, qu'il bénéficie d'une très grande liberté épigénétique. C'est une des bases du succès et de l'adaptation de l'espèce humaine, encore que, sans vouloir être pessimiste, après 200 000 ans d'existence à peine, nous ne savons pas vers quoi mènera ce perfectionnement extraordinaire des mécanismes épigénétiques. Enfin, nous pouvons nous adapter par individuation mais aussi par l'invention d'artefacts comme la culture qui est, avec la mémoire génétique et la mémoire individuelle, la troisième et dernière forme de mémoire à laquelle nous pouvons nous référer pour penser le vivant.

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L’utilisation simultanée de biomarqueurs révèle la complexité du végétal

04 mars 2019    RÉSULTATS SCIENTIFIQUES VIVANT ET SANTÉ

C’est l’histoire de trois marquages chimique capables de révéler des informations primordiales sur la texture moléculaire de nombreuses espèces végétales, comme le lin, le tabac, l’arabette ou encore le peuplier. Les chercheurs de l’Unité de glycobiologie structurale et fonctionnelle (CNRS/Université de Lille/INRA) ont démontré que cette chimie dans le vivant peut se faire de façon simultanée. La méthode permet d’en apprendre plus sur la lignification des végétaux mais aussi de suivre la formation de plusieurs biopolymères.

Trois rapporteurs chimiques, analogues de monomères naturels des lignines, ont été conçus et synthétisés pour être habillés d’étiquettes chimiques (alcyne, azoture et méthylcyclopropène). Une fois incorporés dans le processus de formation des lignines* des plantes, ces rapporteurs ont montré que les trois réactions de bioconjugaison chimiques peuvent être utilisées simultanément au sein d’un seul et même échantillon vivant. Les trois technologies utilisées, dites de chimie « click », sont bien connues car elles sont les plus développées dans la biochimie (i.e. CuAAC, SPAAC et DARinv), mais c’est la première fois qu’elles sont utilisée simultanément.

Les scientifiques de l’Unité de glycobiologie structurale et fonctionnelle (CNRS/Université de Lille/INRA) ont également démontré que cette méthode est applicable à différentes espèces végétales. Cette avancée apporte des informations primordiales pour mieux appréhender la dynamique de lignification. Elle permet aussi le suivi simultané de deux biopolymères lignocellulosiques présents dans la paroi et d’étudier leurs interactions. Au-delà des applications végétales, cette stratégie a également vocation à être transposée sur des modèles animaux et pourrait apporter une multitude d’informations selon la méthode de détection choisie (techniques d’imagerie par microscopie optique ou électronique, spectroscopie vibrationnelle, magnétique, etc.).  
*Lignine : substance organique complexe qui imprègne les éléments constitutifs du bois auquel elle donne sa consistance
 
Référence
Clémence Simon, Cédric Lion, Corentin Spriet, Fabien Baldacci-Cresp, Simon Hawkins, Christophe Biot
One, Two, Three: A Bioorthogonal Triple Labelling Strategy for Studying the Dynamics of Plant Cell Wall Formation In Vivo
Angewandte Chemie International Edition – Octobre 2018
DOI: 10.1002/anie.201808493
Contact
Corentin Spriet
l’Unité de glycobiologie structurale et fonctionnelle
corentin.spriet@univ-lille.fr
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Responsable Communication
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Sophie Félix
Chargée de communication
inc.communication@cnrs.fr
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