CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Auto-organisation d’un système acto-myosine minimal en faisceaux de filaments polaires ondulants périodiquement – ActoMyoBeat

Résumé de soumission

Les assemblages d’un grand nombre de moteurs moléculaires et de filaments du cytosquelette présentent des comportements actifs qui ne peuvent s’expliquer simplement à partir des propriétés des molécules individuelles, soulignant le principe général de l'auto-organisation : «le tout est plus que la somme de ses constituants». Le projet de recherche ActoMyoBeat a pour objet l'émergence d’oscillations mécaniques spontanées et d’ondes progressives dans les faisceaux polaires de filaments. Cet exemple d'auto-organisation est inspiré par les cils et les flagelles de certaines cellule eucaryotes, car ceux-ci présentent des battements réguliers pour propulser les cellules à travers le fluide environnant ou pour générer un flux. Ces battements remplissent des fonctions biologiques essentielles, telles que la locomotion des spermatozoïdes, la clairance du mucus dans les voies respiratoires, l'écoulement du liquide céphalo-rachidien dans les ventricules cérébraux ou la création de l'asymétrie gauche-droite pendant le développement embryonnaire. Le battement flagellaire a été largement étudié à la fois expérimentalement et théoriquement depuis de nombreuses décennies. Cependant, comprendre comment les moteurs moléculaires se coordonnent dans l’espace et dans le temps pour produire des ondes périodiques le long d'un faisceau de filaments demeure un défi majeur. Pour relever ce défi, nous présentons ici un système moléculaire actif minimal renfermant des filaments polaires (actine) et des moteurs moléculaires (myosine) qui s'auto-assemblent in vitro en faisceaux de filaments polaires oscillants, produisant des mouvements qui ressemblent au battement flagellaire.
Une meilleure compréhension de l'interaction entre les éléments constitutifs de cette forme de matière active—ici les filaments d'actine et les myosines—est essentielle pour décrire les propriétés émergentes des faisceaux oscillants. En conséquence, nous présentons un projet collaboratif entre trois équipes d'expertises complémentaires aux échelles moléculaire et supramoléculaire et avec le savoir-faire nécessaire pour combiner des approches expérimentales et théoriques.
Nos résultats préliminaires indiquent que l'affinité des moteurs pour les filaments est régulée par la forme du faisceau, ce qui entraîne une rétroaction dynamique entre l’accrochage de la myosine (les dipôles de force et les couples exercés par la myosine affectent la forme du faisceau de filaments) et la forme du faisceau d'actine (la forme/les contraintes affectent l'affinité des moteurs pour l'actine). Plus précisément, nous étudierons (i) comment l'architecture du faisceau d'actine, y compris le nombre de filaments, leur densité et leur distribution en longueur ainsi que la réticulation des filaments, affecte les propriétés du battement, (ii) comment la variation des propriétés des moteurs affecte le battement du faisceau d'actine, (iii) la relation entre la localisation des moteurs au sein du faisceau de filaments et la forme du faisceau, (iv) l'effet de la friction visqueuse du fluide environnant et de forces externes localisées sur les propriétés du battement, et (v) comment un faisceau d'actine qui bat interagit avec son environnement pour générer un flux hydrodynamique, se synchroniser avec ses voisins et appliquer des forces qui peuvent conduire à une propulsion. Enfin, (vi) nous intégrerons nos résultats expérimentaux dans une description physique du battement auto-organisé dans les systèmes de filaments actifs.
En résumé, le projet ActoMyoBeat permettra de mieux comprendre l'auto-assemblage oscillant de faisceaux de filaments polaires et de moteurs moléculaires. En identifiant les principes physiques génériques qui sous-tendent l’émergence de battements spontanés et d’ondes dans cette forme de matière active, notre recherche fournira les bases fondamentales pour décrire le battement des cils et des flagelles biologiques, et au delà les mécanismes de motilité dans d'autres systèmes cellulaires.

Coordination du projet

Pascal Martin (Institut Curie)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IC Institut Curie
IJM Institut Jacques Monod
MPIPKS Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems / Division Biolopgical Physics

Aide de l'ANR 447 508 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2022 - 48 Mois

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