Les chercheurs utilisent l’anémone de mer pour comprendre comment le comportement affecte la forme du corps au cours du développement précoce

En tant qu’êtres humains, nous savons qu’un mode de vie actif nous donne un certain contrôle sur notre forme. Lorsque nous frappons le trottoir, suivons nos pas et allons au gymnase, nous pouvons maintenir la croissance musculaire et réduire la graisse corporelle. Notre activité physique contribue à façonner notre silhouette physique. Mais que se passerait-il si nous continuions des exercices aérobiques similaires à nos anciennes habitudes ? Est-il possible que nos embryons aient aussi fait de l’exercice ?

Les chercheurs du groupe Ikmi de l’EMBL ont dirigé ces questions vers l’anémone de mer pour comprendre comment le comportement affecte la forme du corps au cours du développement précoce. Il s’avère que les anémones de mer bénéficient également du maintien d’un mode de vie actif, en particulier lorsqu’elles passent de larves nageuses de forme ovoïde à des polypes tubulaires sédentaires. Cette transformation morphologique est une transition fondamentale dans l’histoire de vie de nombreuses espèces de cnidaires, dont la méduse immortelle et les bâtisseurs de l’écosystème le plus riche et le plus complexe de notre planète, les récifs coralliens.

Au cours du développement, les larves d’anémones de mer étoilées (nématostèle) exécutent un schéma spécifique de mouvements de gymnastique. Trop ou trop peu d’activité musculaire ou un changement drastique dans l’organisation de ses muscles peut faire perdre à l’anémone de mer sa forme normale.

Dans un nouvel article publié dans biologie actuellele groupe Ikmi explore comment ce type de comportement affecte le développement des animaux. Forte d’une expérience en imagerie en direct, en méthodologie computationnelle, en biophysique et en génétique, l’équipe multidisciplinaire de scientifiques s’est tournée Imagerie en direct 2D et 3D dans des caractéristiques quantitatives pour suivre les changements dans le corps. Ils ont découvert que les anémones de mer en développement se comportent comme des pompes hydrauliques, régulant la pression corporelle par l’activité musculaire et utilisant l’hydraulique pour sculpter les tissus larvaires.

« Les humains utilisent un squelette composé de muscles et d’os pour faire de l’exercice. En revanche, les anémones de mer utilisent un hydrosquelette composé de muscles et d’une cavité remplie d’eau », a déclaré Aissam Ikmi, chef du groupe EMBL. Les mêmes muscles hydrauliques qui aident les anémones de mer à se développer semblent également affecter leur développement. En utilisant un canal d’analyse d’images pour mesurer la longueur, le diamètre, le volume estimé et la motilité de la colonne corporelle sur de grands ensembles de données, les scientifiques ont découvert que nématostèle les larves sont naturellement divisées en deux groupes : les larves à développement lent et à développement rapide. À la surprise de l’équipe, plus les larves sont actives, plus elles mettent de temps à se développer.

Notre travail montre comment les anémones de mer en développement « s’exercent » essentiellement pour construire leur morphologie, mais ne semblent pas pouvoir utiliser leur hydrosquelette pour se déplacer et se développer simultanément. »

Aissam Ikmi, leader du groupe EMBL

Fabriquez des microscopes et construisez des globes.

«Il y avait beaucoup de défis dans la réalisation de cette recherche», explique le premier auteur et ancien prédoctorant de l’EMBL Anniek Stokkermans, maintenant postdoctorant à l’Institut Hubrecht aux Pays-Bas. « Cet animal est très actif. La plupart des microscopes ne peuvent pas enregistrer assez vite pour suivre les mouvements de l’animal, ce qui conduit à des images floues, surtout lorsque vous voulez le voir en 3D. De plus, l’animal est assez dense, donc la plupart les microscopes ne peuvent même pas voir la moitié de l’animal. »

Pour regarder plus profondément et plus rapidement, Ling Wang, ingénieur d’applications du groupe Prevedel à l’EMBL, a construit un microscope pour capturer les larves d’anémones de mer vivantes et en développement en 3D pendant leur comportement naturel.

« Pour ce projet, Ling a spécifiquement adapté l’une de nos technologies de base, la microscopie à cohérence optique, ou OCM. Le principal avantage de l’OCM est qu’il permet aux animaux de se déplacer librement sous le microscope tout en offrant une vue claire et détaillée à l’intérieur et en 3D » . a déclaré Robert Prevedel, responsable du groupe EMBL. « Ce fut un projet passionnant qui montre les nombreuses interfaces différentes entre les groupes et les disciplines de l’EMBL. »

À l’aide de cet outil spécialisé, les chercheurs ont pu quantifier les changements volumétriques dans les tissus et la cavité corporelle. « Pour augmenter leur taille, les anémones de mer se gonflent comme un ballon en absorbant l’eau de l’environnement », a expliqué Stokkermans. « Ensuite, en contractant différents types de muscles, ils peuvent réguler leur forme à court terme, un peu comme serrer un ballon gonflé d’un côté et le regarder se dilater de l’autre côté. Nous pensons que cette expansion locale induite par la pression aide à étirer les tissus.  » , de sorte que l’animal s’allonge lentement. De cette façon, les contractions peuvent avoir des effets à court et à long terme. « 

Ballons et anémones de mer

Pour mieux comprendre l’hydraulique et son fonctionnement, les chercheurs ont collaboré avec des experts de toutes les disciplines. Prachiti Moghe, un prédoctorant de l’EMBL dans le groupe Hiiragi, a mesuré les changements de pression qui provoquent des déformations corporelles. De plus, le mathématicien L. Mahadevan et l’ingénieur Aditi Chakrabarti de l’Université de Harvard ont introduit un modèle mathématique pour quantifier le rôle des pressions hydrauliques dans la conduite des changements de forme au niveau du système. Ils ont également conçu des ballons renforcés avec des bandes et des rubans qui imitent la gamme de formes et de tailles observées chez les animaux normaux et musculairement défectueux.

« Compte tenu de l’omniprésence des squelettes hydrostatiques dans le règne animal, en particulier chez les invertébrés marins, notre étude suggère que l’hydraulique musculaire active joue un rôle important dans le principe de conception des animaux à corps mou », a déclaré Ikmi. « Dans de nombreux systèmes d’ingénierie, l’hydraulique est définie par la capacité d’exploiter la pression et le flux dans le travail mécanique, avec des effets de grande envergure dans l’espace-temps. Comme la multicellularité animale a évolué dans un environnement aquatique, nous proposons que les premiers animaux ont probablement exploité la même physique , l’hydraulique orientant à la fois les décisions de développement et de comportement. »

Comme le groupe Ikmi a précédemment étudié les liens entre l’alimentation et le développement des tentacules, cette recherche ajoute une nouvelle couche à la compréhension du développement des formes corporelles.

« Nous avons encore beaucoup de questions à propos de ces nouvelles découvertes. Pourquoi y a-t-il différents niveaux d’activité ? Comment exactement les cellules détectent-elles et traduisent-elles la pression en un résultat développemental ? » Stokkermans réfléchit en examinant où mène cette recherche. « De plus, étant donné que les structures en forme de tube constituent la base de bon nombre de nos organes, l’étude des mécanismes qui s’appliquent à nématostèle Cela aidera également à mieux comprendre comment l’hydraulique joue un rôle dans le développement et le fonctionnement des organes. »