Comme vous le savez sûrement, les bactéries se reproduisent en se coupant en deux. Exactement en deux. Comment exercent-elles cette précision de géomètre ? Grâce à un processus purement physique !

On a beaucoup progressé récemment dans la connaissance des mécanismes de division de bactéries. Une protéine, FtsZ, a été identifiée comme la responsable principale de cette division. FtsZ est une protéine qui forme un anneau autour des cellules, comme vous pouvez le voir sur la figure ci-contre. Au moment de la division cellulaire, cet anneau se contracte, étranglant littéralement la bactérie et in fine, la coupant en deux comme une vulgaire saucisse.

La question suivante est de comprendre le processus de localisation de cette protéine FtsZ, comment cet anneau d’étranglement se forme au milieu de la bactérie (et pas aux 2/3 ou aux trois quarts). Comment la cellule est-elle capable de se “mesurer” pour savoir où est son milieu ? Ces problèmes de mesures et d’échelle sont fréquents en biologie, et c’est là où la physique intervient.

Il y a une petite dizaine d’années, les scientifiques se sont intéressés à trois protéines, appelées MinC,MinD et MinE, qui ont la propriété d’empêcher la formation de l’anneau de FtsZ. L’image ci-contre montre l’évolution temporelle de la concentration de la protéine MinD dans trois bactéries différentes. Une ligne correspond à une bactérie, les colonnes correspondent à des temps différents. Comme vous pouvez le voir, l’expression est hautement dynamique. Les protéines oscillent littéralement entre les deux extrémités de la cellule, elles font un espèce de va et vient permanent. Du fait de cette oscillation, les protéines Min sont plus concentrées en moyenne dans les pôles de la cellule que dans le centre de celle-ci. Comme les protéines Min répriment la formation de FtsZ, l’anneau de FtsZ va se former à l’endroit exact où les protéines sont statistiquement moins concentrées, c’est-à-dire au centre de la cellule.

Voilà de quoi exciter les physiciens, qui ont proposé des tas de modèles (type réaction-diffusion) pour expliquer ces oscillations de protéines. Mon modèle préféré étant celui analogue à la vache qui broute dans un pré fermé, que je vais m’efforcer de vous résumer en quelques mots. (Cliquez sur l’image pour une animation, le film fait 216 ko; la vache est empruntée à Koz, j’espère qu’il ne m’en voudra pas) . Considérons donc une vache dans un pré fermé. La vache jouera le rôle d’une protéine Min (MinE), le pré celui de la cellule, l’herbe d’une protéine collée à la membrane de la cellule (MinD). Le modèle est le suivant : la vache n’avance que lorsqu’elle peut brouter de l’herbe. Mais l’herbe met un certain temps pour repousser. Au début, la vache part aléatoirement vers une extrémité du pré, mais une fois partie dans une direction, comme l’herbe met un certain temps pour repousser, la vache avance tout droit et ne peut pas revenir en arrière car il n’y a plus d’herbe - celle-ci venant d’être dévorée. Une fois l’extrémité du pré atteinte, la vache est bloquée car il n’y a pas d’herbe fraîche alentour. Elle doit attendre que l’herbe derrière elle ait repoussé : dans ce cas elle retourne en arrière, et pour la même raison, avance directement vers l’autre côté du pré. On voit ainsi que notre vache va osciller entre les deux extrémités du pré. Notez également que si l’herbe repousse suffisamment lentement, la vache passe beaucoup plus de temps aux extrémités du pré.

Le nombre d’éléments dans ce système est donc relativement restreint : il suffit d’avoir une vache (MinE), un pré (une membrane cellulaire), et de l’herbe (MinD). Loose et al., dans un papier récent dans Science, ont essayé de mettre l’analogue cellulaire de tous ces éléments dans un système artificiel et de voir si on observait des mouvements. Ils ont fabriqué une membrane artificielle in vitro, ont introduit dans le système de l’ATP (le carburant des processus cellulaires) ainsi que les protéines MinD et MinE et ont regardé ce qui se passe. Miracle de la physique: on observe ce qu’on attendait théoriquement, des propagations d’ondes (autant de vaches) et même des ondes spirales (cliquez sur les images ci-contre pour voir des films de leurs expériences; ces films sont des expériences réelles ! - les films font 4.4 Mo et 2 Mo). Il faut imaginer que ce qui correspond à la vache est la protéine rouge (MinE) et l’herbe la protéine verte (MinD). La seule différence avec un système réel est que la membrane est virtuellement infinie : le pré n’a plus de limites et la vache peut donc constamment avancer !
On n’est d’ailleurs plus très loin de pouvoir reproduire tout le processus de division cellulaire, car dans le mêne numéro de Science, Anderson et al. montrent qu’on peut aussi reconstruire un anneau de FtsZ in vitro. C’est toujours assez étonnant de voir que quelques protéines in vitro peuvent reproduire la physique de la cellule, un peu à l’image de ce qui se passe pour les horloges circadiennes des bactéries !

Références (et sources des films/images) :
Rapid pole-to-pole oscillation of a protein required for directing division to the middle of Escherichia coli
David M. Raskin and Piet A. J. de Boer, PNAS, 1999

Z-ring force and cell shape during division in rod-like bacteria,Ganhui Lan, Charles W. Wolgemuth, and Sean X. Sun, PNAS, 2007

Spatial Regulators for Bacterial Cell Division Self-Organize into Surface Waves in Vitro ,Martin Loose, Elisabeth Fischer-Friedrich,Jonas Ries, Karsten Kruse, Petra Schwille, Science, 2008

Reconstitution of Contractile FtsZ Rings in Liposomes,Masaki Osawa, David E. Anderson, Harold P. Erickson, Science,2008

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Billet publié le Saturday, May 24th, 2008 à 4:16 pm dans les catégories Biologie, Physique, Sciences. Lien vers le flux de commentaires : RSS 2.0 . Vous pouvez laissez un commentaire, ou faire un rétrolien.