En juin, 100 scientifiques sur les mouches des fruits se sont réunis sur l’île grecque de Crète pour leur réunion biennale. Parmi eux se trouvait Cassandra Extavour, une généticienne canadienne à l’Université de Harvard. Son laboratoire travaille avec des mouches des fruits pour étudier l’évolution et le développement – “evo devo”. Le plus souvent, ces scientifiques choisissent comme «organisme modèle» l’espèce Drosophila melanogaster – un cheval de trait ailé qui a servi de collaborateur insecte à au moins quelques prix Nobel de physiologie et de médecine.
Mais le Dr Extavour est également connu pour cultiver des espèces alternatives comme organismes modèles. Elle aime particulièrement le grillon, en particulier Gryllus bimaculatus, le grillon des champs à deux points, même s’il n’apprécie pas encore quoi que ce soit près de la suite de la mouche des fruits. (Quelque 250 chercheurs principaux avaient demandé à assister à la réunion en Crète.)
“C’est fou”, a-t-elle déclaré lors d’une interview vidéo depuis sa chambre d’hôtel, alors qu’elle écrasait un scarabée. “Si nous essayions d’avoir une réunion avec tous les chefs de laboratoires travaillant sur cette espèce de cricket, nous pourrions être cinq ou dix.”
Les grillons ont déjà été enrôlés dans des études sur les horloges circadiennes, la régénération des membres, l’apprentissage, la mémoire ; ils ont servi de modèles de maladies et d’usines pharmaceutiques. Véritables polymathes, les grillons ! Ils sont également de plus en plus appréciés comme aliments, enrobés de chocolat ou non. D’un point de vue évolutif, les grillons offrent plus d’opportunités d’en savoir plus sur le dernier ancêtre commun des insectes ; ils ont plus de traits en commun avec d’autres insectes que les mouches des fruits. (En particulier, les insectes représentent plus de 85 % des espèces animales).
Les recherches du Dr Extavour visent les fondamentaux : comment fonctionnent les embryons ? Et qu’est-ce que cela pourrait révéler sur la naissance du premier animal ? Chaque embryon animal suit un parcours similaire : une cellule devient plusieurs, puis elles s’organisent en une couche à la surface de l’œuf, fournissant un premier plan pour toutes les parties du corps adulte. Mais comment les cellules embryonnaires – des cellules qui ont le même génome mais qui ne font pas toutes la même chose avec cette information – savent-elles où aller et quoi faire ?
“C’est le mystère pour moi”, a déclaré le Dr Extavour. “C’est toujours là où je veux aller.”
Seth Donoughe, biologiste et scientifique des données à l’Université de Chicago et ancien élève du laboratoire du Dr Extavour, a décrit l’embryologie comme l’étude de la façon dont un animal en développement fabrique “les bonnes parties au bon endroit au bon moment”. Dans une nouvelle recherche présentant une vidéo merveilleuse de l’embryon de cricket – montrant certaines «parties droites» (les noyaux cellulaires) se déplaçant en trois dimensions – le Dr Extavour, le Dr Donoughe et leurs collègues ont découvert que la bonne géométrie à l’ancienne jouait un rôle de premier plan.
Les humains, les grenouilles et de nombreux autres animaux largement étudiés commencent comme une seule cellule qui se divise immédiatement encore et encore en cellules séparées. Chez les grillons et la plupart des autres insectes, au départ, seul le noyau cellulaire se divise, formant de nombreux noyaux qui voyagent à travers le cytoplasme partagé et ne forment que plus tard leurs propres membranes cellulaires.
En 2019, Stefano Di Talia, biologiste du développement quantitatif à l’Université Duke, a étudié le mouvement des noyaux chez la mouche des fruits et a montré qu’ils sont entraînés par des flux pulsés dans le cytoplasme – un peu comme des feuilles voyageant sur les tourbillons d’un lent -flux en mouvement.
Mais un autre mécanisme était à l’œuvre dans l’embryon de cricket. Les chercheurs ont passé des heures à observer et à analyser la danse microscopique des noyaux : des noyaux lumineux se divisant et se déplaçant selon un schéma déroutant, pas tout à fait ordonné, pas tout à fait aléatoire, dans des directions et des vitesses variables, les noyaux voisins étant plus synchronisés que ceux plus éloignés. La performance démentait une chorégraphie au-delà de la simple physique ou de la chimie.
“Les géométries que les noyaux en viennent à assumer sont le résultat de leur capacité à détecter et à répondre à la densité d’autres noyaux proches d’eux”, a déclaré le Dr Extavour. Le Dr Di Talia n’a pas participé à la nouvelle étude, mais l’a trouvée émouvante. “C’est une belle étude d’un beau système d’une grande pertinence biologique”, a-t-il déclaré.
Voyage des noyaux
Les chercheurs sur le cricket ont d’abord adopté une approche classique : regardez attentivement et faites attention. “Nous venons de le regarder”, a déclaré le Dr Extavour.
Ils ont tourné des vidéos à l’aide d’un microscope à feuille à lumière laser : des instantanés ont capturé la danse des noyaux toutes les 90 secondes pendant les huit premières heures de développement de l’embryon, au cours desquelles environ 500 noyaux s’étaient accumulés dans le cytoplasme. (Les grillons éclosent après environ deux semaines.)
En règle générale, le matériel biologique est translucide et difficile à voir, même avec le microscope le plus gonflé. Mais Taro Nakamura, alors postdoctorant dans le laboratoire du Dr Extavour, maintenant biologiste du développement à l’Institut national de biologie fondamentale d’Okazaki, au Japon, avait conçu une souche spéciale de grillons avec des noyaux qui brillaient en vert fluorescent. Comme l’a raconté le Dr Nakamura, lorsqu’il a enregistré le développement de l’embryon, les résultats ont été « stupéfiants ».
C’était «le point de départ» du processus exploratoire, a déclaré le Dr Donoughe. Il a paraphrasé une remarque parfois attribuée à l’auteur de science-fiction et professeur de biochimie Isaac Asimov : « Souvent, vous ne dites pas ‘Eureka !’ quand vous découvrez quelque chose, vous dites, ‘Huh. C’est bizarre.’
Au départ, les biologistes ont regardé les vidéos en boucle, projetées sur un écran de salle de conférence – l’équivalent cricket d’IMAX, considérant que les embryons font environ le tiers de la taille d’un grain de riz (à grains longs). Ils ont essayé de détecter des modèles, mais les ensembles de données étaient écrasants. Ils avaient besoin de plus de savoir-faire quantitatif.
Le Dr Donoughe a contacté Christopher Rycroft, un mathématicien appliqué maintenant à l’Université du Wisconsin-Madison, et lui a montré les noyaux dansants. ‘Ouah!’ dit le Dr Rycroft. Il n’avait jamais rien vu de tel, mais il a reconnu le potentiel d’une collaboration basée sur les données ; lui et Jordan Hoffmann, alors étudiant au doctorat dans le laboratoire du Dr Rycroft, ont rejoint l’étude.
Au cours de nombreuses projections, l’équipe math-bio s’est penchée sur de nombreuses questions : Combien y avait-il de noyaux ? Quand ont-ils commencé à se diviser ? Dans quelles directions allaient-ils ? Où ont-ils fini? Pourquoi certains filaient et d’autres rampaient ?
Le Dr Rycroft travaille souvent à la croisée des sciences de la vie et des sciences physiques. (L’année dernière, il a publié sur la physique du froissement du papier.) “Les mathématiques et la physique ont eu beaucoup de succès dans l’élaboration de règles générales qui s’appliquent largement, et cette approche peut également aider en biologie”, a-t-il déclaré. Le Dr Extavour a dit la même chose.
L’équipe a passé beaucoup de temps à brasser des idées sur un tableau blanc, dessinant souvent des images. Le problème a rappelé au Dr Rycroft un diagramme de Voronoi, une construction géométrique qui divise un espace en sous-régions non superposées – des polygones ou des cellules de Voronoi, qui émanent chacune d’un point de départ. C’est un concept polyvalent qui s’applique à des choses aussi variées que les amas de galaxies, les réseaux sans fil et le modèle de croissance des couverts forestiers. (Les troncs d’arbres sont les points de graines et les couronnes sont les cellules de Voronoi, se blottissant étroitement mais n’empiétant pas les unes sur les autres, un phénomène connu sous le nom de timidité de la couronne.)
Dans le contexte du cricket, les chercheurs ont calculé la cellule de Voronoi entourant chaque noyau et ont observé que la forme de la cellule aidait à prédire la direction dans laquelle le noyau se déplacerait ensuite. Fondamentalement, le Dr Donoughe a déclaré: “Les noyaux avaient tendance à se déplacer dans l’espace ouvert à proximité.”
La géométrie, a-t-il noté, offre une manière abstraite de penser la mécanique cellulaire. “Pendant la majeure partie de l’histoire de la biologie cellulaire, nous n’avons pas pu mesurer ou observer directement les forces mécaniques”, a-t-il déclaré, même s’il était clair que “des moteurs, des écrasements et des poussées” étaient en jeu. Mais les chercheurs ont pu observer des motifs géométriques d’ordre supérieur produits par ces dynamiques cellulaires. “Donc, en pensant à l’espacement des cellules, à la taille des cellules, à la forme des cellules – nous savons qu’elles proviennent de contraintes mécaniques à des échelles très fines”, a déclaré le Dr Donoughe.
Pour extraire ce type d’informations géométriques des vidéos de cricket, le Dr Donoughe et le Dr Hoffmann ont suivi les noyaux étape par étape, mesurant l’emplacement, la vitesse et la direction.
“Ce n’est pas un processus trivial, et cela finit par impliquer de nombreuses formes de vision par ordinateur et d’apprentissage automatique”, a déclaré le Dr Hoffmann, un mathématicien appliqué maintenant à DeepMind à Londres.
Ils ont également vérifié manuellement les résultats du logiciel, en cliquant sur 100 000 positions, reliant les lignées des noyaux à travers l’espace et le temps. Le Dr Hoffmann a trouvé cela fastidieux; Le Dr Donoughe a pensé qu’il s’agissait de jouer à un jeu vidéo, “zoomant à grande vitesse à travers le minuscule univers à l’intérieur d’un seul embryon, cousant ensemble les fils du voyage de chaque noyau”.
Ensuite, ils ont développé un modèle informatique qui a testé et comparé des hypothèses susceptibles d’expliquer les mouvements et le positionnement des noyaux. Dans l’ensemble, ils ont exclu les flux cytoplasmiques que le Dr Di Talia a vus chez la mouche des fruits. Ils ont réfuté le mouvement aléatoire et l’idée que les noyaux s’écartaient physiquement.
Au lieu de cela, ils sont arrivés à une explication plausible en s’appuyant sur un autre mécanisme connu dans les embryons de mouches des fruits et d’ascaris : des moteurs moléculaires miniatures dans le cytoplasme qui étendent des grappes de microtubules à partir de chaque noyau, un peu comme un couvert forestier.
L’équipe a proposé qu’un type similaire de force moléculaire attirait les noyaux de cricket dans un espace inoccupé. “Les molécules pourraient bien être des microtubules, mais nous n’en sommes pas sûrs”, a déclaré le Dr Extavour dans un e-mail. “Nous devrons faire plus d’expériences à l’avenir pour le savoir.”
La géométrie de la diversité
Cette odyssée du cricket ne serait pas complète sans la mention du « dispositif de constriction embryonnaire » sur mesure du Dr Donoughe, qu’il a construit pour tester diverses hypothèses. Il reproduisait une technique de la vieille école mais était motivé par des travaux antérieurs avec le Dr Extavour et d’autres sur l’évolution de la taille et de la forme des œufs.
Cet engin a permis au Dr Donoughe d’exécuter la tâche délicate d’enrouler un cheveu humain autour de l’œuf de cricket, formant ainsi deux régions, l’une contenant le noyau d’origine, l’autre une annexe partiellement pincée.
Ensuite, les chercheurs ont de nouveau regardé la chorégraphie nucléaire. Dans la région d’origine, les noyaux ont ralenti une fois qu’ils ont atteint une densité surpeuplée. Mais lorsque quelques noyaux se sont faufilés dans le tunnel au niveau de l’étranglement, ils ont accéléré à nouveau, se lâchant comme des chevaux dans un pâturage ouvert.
C’était la preuve la plus solide que le mouvement des noyaux était régi par la géométrie, a déclaré le Dr Donoughe, et “non contrôlé par des signaux chimiques globaux, ou des flux ou à peu près toutes les autres hypothèses sur ce qui pourrait coordonner de manière plausible le comportement d’un embryon entier”.
À la fin de l’étude, l’équipe avait accumulé plus de 40 téraoctets de données sur 10 disques durs et avait affiné un modèle informatique géométrique qui s’ajoutait à la boîte à outils du cricket.
“Nous voulons rendre les embryons de cricket plus polyvalents pour travailler en laboratoire”, a déclaré le Dr Extavour, c’est-à-dire plus utiles dans l’étude d’encore plus d’aspects de la biologie.
Le modèle peut simuler n’importe quelle taille et forme d’œuf, ce qui en fait un «terrain d’essai pour d’autres embryons d’insectes», a déclaré le Dr Extavour. Elle a noté que cela permettra de comparer diverses espèces et d’approfondir l’histoire de l’évolution.
Mais la plus grande récompense de l’étude, tous les chercheurs ont convenu, était l’esprit de collaboration.
« Il y a un lieu et un moment pour les connaissances spécialisées », a déclaré le Dr Extavour. “Tout aussi souvent dans la découverte scientifique, nous devons nous exposer à des personnes qui ne sont pas aussi investies que nous dans un résultat particulier.”
Les questions posées par les mathématiciens étaient “libres de toutes sortes de préjugés”, a déclaré le Dr Extavour. “Ce sont les questions les plus passionnantes.”
