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Univ. Paris-Saclay
22 mars 2012
Comprendre l'émergence de mouvements collectifs dans la matière active et biologique
Yutaka Sumino 1, Ken H. Nagai2, Yuji Shitaka3, Dan Tanaka4, Kenichi Yoshikawa5, Hugues Chaté6 and Kazuhiro Oiwa3,7
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(french version English version)

L'émergence d'un ordre au sein d'une assemblée d'objets en interaction est toujours fascinante à étudier. L'observateur est alors face à de nombreuses questions sur l'origine profonde de cet ordre et les conditions de son apparition. Il est ainsi observé l'apparition de mouvements collectifs à deux dimensions de filaments polymériques déplacés par des moteurs moléculaires. Par une étude statistique du phénomène, il a été possible de remonter aux interactions élémentaires à l'échelle moléculaire responsables de cette organisation. Ce résultat, publié dans la revue Nature, montre que, dans le cas présent d'objets biologiques, des interactions locales simples peuvent être à l'origine de phénomènes émergeants complexes.

 

 

La physique de la matière active est un nouveau domaine de recherche qui traite de toutes les situations dans lesquelles de l'énergie est dépensée localement pour produire un mouvement cohérent, plus ou moins persistant. Ces situations nombreuses se présentent à toutes les échelles dans la nature comme dans des systèmes artificiels, depuis les mouvements de grands groupes d'animaux, d'essaims de robots, de colonies de bactéries ou d'amibes, de cellules biologiques au sein d'un organisme, jusqu'au niveau intra-cellulaire où les moteurs moléculaires, protéines transformant de l'énergie chimique en travail mécanique, sont responsables du transport et de l'organisation à grande échelle de la cellule.

C'est dans ce dernier contexte que des expériences in vitro bien contrôlées sont désormais possibles : des composants biologiques purifiés, provenant de cellules vivantes, sont mélangés de manière précise et les phénomènes coopératifs résultants sont observés, via un marquage fluorescent standard, au microscope.

L'expérience réalisée dans le groupe du professeur Kazuhiro Oiwa de l'Advanced ICT Research Institute de Kobe (Japon) a consisté à mélanger des microtubules (filaments polymériques assez rigides participant notamment à la cohérence du cytosquelette) et des moteurs de types dynéines1 fixés à un substrat rigide. En présence d'ATP, les têtes des moteurs agrippent et poussent collectivement les filaments, qui se déplacent alors régulièrement dans un mouvement essentiellement bi-dimensionnel. Si la densité de moteurs attachés et celle des microtubules accrochés sont grandes, on observe en quelques minutes, de manière très spectaculaire, la formation d'un réseau de vortex de très grande taille (400 μm de diamètre) par rapport à la longueur des filaments (environ 10 μm).

Sous la direction d'Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC, CEA-Saclay), le dépouillement d'expériences supplémentaires ainsi qu'une modélisation semi-quantitative, ont permis de montrer que seuls deux ingrédients simples étaient à l'origine du mouvement collectif organisé en réseau de vortex : le mouvement persistant et sinueux des microtubules isolés et leur alignement nématique lors de collisions.

Cet ensemble de résultats est une première dans le domaine car il a permis de montrer clairement sur un cas "réel" ce qui n'est souvent qu'un acquis, voir un présupposé, théorique de la physique statistique moderne : un très petit nombre de mécanismes simples suffisent à rendre compte quantitativement de phénomènes émergeants complexes. Au delà de cette satisfaction intellectuelle, ces résultats ont à priori une grande pertinence en biologie, notamment pour la compréhension de la rigidité des cellules végétales, et pourraient être exploités dans le domaine des bio-matériaux.


1 Dynéines : complexes protéiques d’environ 2 MDalton, comportant deux chaînes lourdes, sept ou huit chaînes intermédiaires et deux légères. Les dynéines sont actives en association avec un complexe protéique : la dynactine, protéine moteur présente dans les cellules animales.

 
Comprendre l'émergence de mouvements collectifs dans la matière active et biologique

a) Formation des vortex. Barre d'échelle: 500 um, soit environ 40 fois la longueur des microtubules
b) Vue générale du système après 30 minutes. Barre d'échelle: 2 mm

  1. Department of Physics, Faculty of Education, Aichi University of Education, Aichi 448-8542, Japan
  2. Department of Physics, Graduate School of Science, the University of Tokyo, Tokyo 113-0033, Japan
  3. Advanced ICT Research Institute, National Institute of Information and Communications Technology, Kobe 651-2492, Japan
  4. Department of Complex Systems Science, Graduate School of Information Science, Nagoya University, Nagoya 464-8601 Japan
  5. Department of Physics, Graduate School of Science, Kyoto University and ICORP, JST Kyoto 606-8502, Japan
  6. Service de Physique de l’Etat Condensé, CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
  7. Graduate School of Life Science, University of Hyogo, Harima Science Park City, Hyogo, 678-1297, Japan

Références :

Large scale vortex lattice emerging from local aligning collisions between moving microtubules,
Y. Sumino1, K.H. Nagai2, Y. Shitaka3, D. Tanaka4, K. Yoshikawa5, H. Chaté6 and K. Oiwa3,7, Nature, 483 (2012) 448.

Nature
News and views :
Biological physics: Swarming microtubules,
Tamás Vicsek, Nature, 483 (2012) 411.
Nature

 

Communiqué de presse CEA : Mouvements collectifs dans une matière biologique.
(English version: Collective motion in biological matter)

Contact CEA : Hugues CHATE.

 
#1895 - Màj : 28/04/2015

 

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