L’exercice stimule-t-il le développement ? Chez l’anémone de mer, la façon dont vous vous déplacez compte —

Les chercheurs du groupe Ikmi de l’EMBL ont tourné 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 la vie de nombreuses espèces de cnidaires, y compris les méduses immortelles 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 (Nématostelle) exécutent un schéma spécifique de mouvements de gymnastique. Une activité musculaire trop ou trop faible ou un changement drastique dans l’organisation de leurs muscles peut faire dévier l’anémone de mer de sa forme normale.

Dans un nouvel article publié dans Biologie actuelle, le groupe Ikmi exploremontre que ce type de comportement a un impact sur le développement animal. Grâce à son expertise en imagerie en direct, en méthodologie computationnelle, en biophysique et en génétique, l’équipe multidisciplinaire de scientifiques a transformé l’imagerie en direct 2D et 3D en 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 le tissu larvaire.

“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 en développement à se déplacer semblent également avoir un impact sur leur développement. À l’aide d’un pipeline d’analyse d’images pour mesurer la longueur, le diamètre, le volume estimé et la motilité de la colonne corporelle dans de grands ensembles de données, les scientifiques ont découvert que Nématostelle les larves se divisent naturellement 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 il semble qu’elles ne peuvent pas utiliser leur hydrosquelette pour se déplacer et se développer simultanément”, a déclaré Ikmi.

Fabriquer des microscopes et construire des ballons

“La réalisation de cette recherche a posé de nombreux défis”, explique la première auteure et ancienne pré-doctorante de l’EMBL, Anniek Stokkermans, aujourd’hui post-doctorante à l’Institut Hubrecht aux Pays-Bas. “Cet animal est très actif. La plupart des microscopes ne peuvent pas enregistrer assez rapidement pour suivre les mouvements de l’animal, ce qui entraîne des images floues, surtout lorsque vous voulez le regarder en 3D. De plus, l’animal est assez dense, donc la plupart des microscopes ne peuvent même pas voir à mi-chemin de l’animal.”

Pour regarder à la fois plus profondément et plus rapidement, Ling Wang, ingénieur d’application 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 un regard clair et détaillé à l’intérieur et dans 3D.” a déclaré Robert Prevedel, chef de groupe EMBL. “Ce fut un projet passionnant qui montre les nombreuses interfaces différentes entre les groupes et les disciplines de l’EMBL.”

Grâce à 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 presser 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 sa fonction, 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 entraînant des déformations du corps. 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 à longue portée dans l’espace-temps. Au fur et à mesure que la multicellularité animale évoluait dans un environnement aquatique, nous proposons que les premiers animaux exploitaient probablement 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 de nombreuses questions à propos de ces nouvelles découvertes. Pourquoi y a-t-il différents niveaux d’activité ? Comment les cellules détectent-elles exactement et traduisent-elles la pression en un résultat de développement ?” Stokkermans réfléchit alors qu’elle considère 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 Nématostelle aidera également à mieux comprendre comment l’hydraulique joue un rôle dans le développement et le fonctionnement des organes. »