Many-body interactions between contracting living cells

Au cœur de chaque tissu vivant, du cœur qui bat à la peau qui cicatrise, des cellules individuelles se poussent et se tirent constamment les unes les autres. Elles n'existent pas dans le vide ; au contraire, elles sont enchâssées dans un échafaudage mou et gélatineux appelé matrice extracellulaire. Cet environnement n'est pas un simple remplissage passif ; c'est un milieu mécanique qui transmet des forces. Lorsqu'une cellule se contracte, elle comprime ce matériau environnant, créant une ondulation de déformation qui se propage vers l'extérieur. Les autres cellules à proximité peuvent ressentir cette compression, tout comme une personne debout sur un trampoline ressent le mouvement d'une autre personne sautant à proximité. Pendant des décennies, les scientifiques ont compris que les cellules pouvaient percevoir ces indices mécaniques et ajuster leur propre comportement en réponse, un processus connu sous le nom de mécanotransduction. La grande question, cependant, était de savoir comment cette perception fonctionne lorsque de nombreuses cellules sont impliquées simultanément. La force totale ressentie par un groupe de cellules est-elle simplement additive, comme si l'on empilait des poids sur une balance, ou la présence de multiples voisins crée-t-elle un comportement collectif plus complexe qui ne peut être prédit en observant seulement des paires de cellules ?

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de répondre à cela en modélisant un groupe de cellules vivantes comme des sphères parfaites enchâssées dans un matériau élastique linéaire infini. Ils n'ont pas imaginé ces cellules comme des objets statiques, mais comme des agents actifs générant leurs propres forces internes. Dans leur modèle le plus simple, ils ont considéré des cellules « mortes » qui appliquent une force constante et immuable, quel que soit leur environnement. Dans ce scénario, les interactions entre les cellules sont directes et prévisibles ; l'énergie totale du système est simplement la somme des interactions entre chaque paire possible de voisins. Cependant, les chercheurs étaient plus intéressés par les cellules « vivantes ». Ce sont des cellules capables de mesurer les forces et les déformations agissant sur leur surface et d'ajuster activement leur propre machinerie interne pour maintenir une forme ou une position spécifique. Tout comme une personne pourrait déplacer son poids pour garder l'équilibre sur un bateau en mouvement, ces cellules ajustent leurs forces contractiles pour contrebalancer les distorsions causées par leurs voisins, garantissant qu'elles restent parfaitement sphériques malgré le chaos environnant.

Pour comprendre ce qui se passe lorsque trois cellules ou plus de ces cellules actives et régulatrices de forme se rassemblent, les chercheurs ont effectué des calculs théoriques détaillés. Ils ont cartographié les forces et les déplacements pour des groupes de trois et quatre cellules disposées en ligne droite, ainsi que pour une rangée infinie de cellules. Ils ont comparé l'énergie réelle stockée dans le système lorsque toutes ces cellules interagissent simultanément par rapport à un scénario hypothétique où l'énergie totale serait calculée en additionnant simplement les interactions entre chaque paire de cellules. Si les règles de la simple addition étaient vraies, le comportement complexe du groupe ne serait rien de plus que la somme de ses parties. Les résultats ont toutefois révélé une vérité surprenante : le tout n'est pas égal à la somme de ses parties.

L'étude a révélé que la manière dont les cellules régulent leur comportement modifie fondamentalement la nature de leur interaction collective. Lorsque les cellules sont programmées pour maintenir leur position fixe dans l'espace tout en préservant leur forme, l'énergie totale du groupe est en fait inférieure à ce que vous prédiriez en additionnant les interactions par paires. Dans ce cas, la présence d'un troisième ou quatrième voisin réduit en réalité l'effort mécanique total requis par le groupe. Inversement, lorsque les cellules sont autorisées à déplacer leur position pour maintenir leur forme, l'énergie totale du groupe est supérieure à la somme des prédictions par paires. Cela signifie que pour les cellules qui se déplacent, l'interaction collective crée un fardeau mécanique supplémentaire qui ne peut être expliqué par l'observation des paires seules. Les chercheurs ont montré que cet écart par rapport à la simple addition n'est pas un détail mineur, mais un effet significatif piloté par la régulation active des cellules.

L'équipe a également découvert que la distance entre les cellules importe d'une manière spécifique. Pour les cellules qui maintiennent leur position fixe, l'énergie d'interaction chute très rapidement à mesure qu'elles s'éloignent, suivant une décroissance abrupte liée à la quatrième puissance de la distance. Pour les cellules libres de se déplacer, l'énergie chute encore plus vite, suivant une relation de puissance six. Cette décroissance rapide signifie que ces interactions multicellulaires complexes sont les plus significatives lorsque les cellules sont étroitement regroupées, ce qui est précisément la condition trouvée dans les tissus biologiques denses. Les chercheurs ont vérifié que ces conclusions restent vraies qu'ils observent un petit groupe de trois cellules ou qu'ils simulent une ligne infinie, confirmant que l'effet est une propriété fondamentale de la matière active plutôt qu'un hasard lié à un arrangement spécifique.

En fin de compte, ce travail démontre que la mécanique des tissus vivants ne peut être pleinement comprise en étudiant les cellules de manière isolée ou par paires. La nature active et régulatrice des cellules introduit une couche de complexité non linéaire où le comportement du groupe émerge des ajustements collectifs de chaque individu. Même si le matériau environnant se comporte de manière simple et linéaire, la capacité des cellules à percevoir et à répondre à leurs voisins crée une interaction complexe à corps multiples. Cette découverte suggère que pour véritablement comprendre comment les tissus se forment, guérissent ou fonctionnent, les scientifiques doivent tenir compte de ces interactions d'ordre supérieur, où la présence d'une troisième cellule change les règles d'engagement pour les deux premières. L'étude fournit un cadre mathématique clair pour ces interactions, montrant que le monde vivant opère selon des principes de régulation collective qui vont bien au-delà de la simple addition.