Mots-clées: croissance bactérienne, loi sur la croissance, taille des cellules
Résumé: En appliquant des modèles mathématiques à un grand nombre d'expériences dans lesquelles la croissance bactérienne est inhibée, une équipe formée de physiciens, de biologistes et de bioingénieurs a développé une « loi générale sur la croissance », qui explique la relation entre la taille moyenne des cellules et la rapidité avec laquelle elles croissent.
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| Cette image montre le contour d’une cellule d’E. coli contenant plusieurs « cellules unitaires » plus petites grâce à l’utilisation d’images cellulaires bactériennes en vue d’illustrer le principe de la croissance généralisée. |
Les biologistes ont toujours su que les bactéries se développent plus rapidement lorsque la qualité des nutriments s'améliore, un principe de physiologie microbienne connu sous le nom de « loi sur la croissance », qui décrit la relation entre la taille moyenne des cellules et la rapidité de leur croissance.
Mais la loi de croissance présente une anomalie majeure: elle est incapable d'expliquer pourquoi les bactéries se divisent lorsqu'elles atteignent une certaine taille critique, peu importe combien ou peu de nutriments sont disponibles.
En appliquant des modèles mathématiques à un grand nombre d'expériences dans lesquelles la croissance bactérienne est inhibée, une équipe formée de physiciens, de biologistes et de bioingénieurs de l'UC San Diego en a découvert la raison et a développé une « loi générale sur la croissance » qui explique l'origine de ces idiosyncrasies de la physiologie bactérienne.
Les chercheurs ont détaillé leurs réalisations dans un article publié dans le numéro de cette semaine de la revue Current Biology.
"Il y a quelques années, nous avons entrepris de faire des expériences d'inhibition de la croissance pour tester la loi de croissance en utilisant l'organisme modèle Escherichia coli", a déclaré Suckjoon Jun, professeur adjoint de physique et de biologie moléculaire à UC San Diego, qui a dirigé l'effort de recherche. "Peut-être pas si étonnamment, la loi de croissance originale n'a pas été en mesure d'expliquer les changements dans la taille des cellules sous l'inhibition de la croissance. La taille des cellules augmente ou diminue selon la méthode d'inhibition. Parfois, la taille des cellules n'a pas changé du tout malgré une inhibition significative de la croissance".
Jun et ses collègues ont découvert que lorsque les cellules ont commencé à répliquer leur matériel génétique en vue de la division cellulaire, la taille des cellules est restée remarquablement constante malgré les nombreux processus génétiques et les changements dans la cellule tels que la synthèse des protéines et des ADN, la synthèse de la paroi cellulaire et la forme de la cellule.
"Nous avons réalisé que cette taille de cellule invariante représente une unité fondamentale des ressources cellulaires requises pour commencer la croissance et le cycle cellulaire, ou le " moteur " d'une voiture, pour ainsi dire ", a déclaré Jun. "Cette" cellule unitaire " constitue le fondement de la taille de la cellule et la taille de la cellule est la somme de toutes les cellules unitaires invariantes pour toute condition de croissance, ce qui explique l'origine de la loi de croissance ".
Jun a déclaré que le développement de techniques d'échantillonnage de cellules à haut débit et de méthodes génétiques telles que « interférence CRISPR » permettait à son équipe d'extraire de grandes quantités de données physiologiques de 10 millions de cellules bactériennes dans leurs expériences d'inhibition de la croissance.
"Cela a permis des statistiques détaillées et fiables, et a conduit à une modélisation quantitative qui a fait des prédictions expérimentalement vérifiables, nous aidant à comprendre les données à un niveau plus profond", a-t-il ajouté. "Cela complète le principe inattendu" additionneur "que nous avons découvert il y a quelques années."
Jun a déclaré que ce processus était similaire à la manière dont l'astronome Danois Tycho Brahe, en recueillant de meilleures données sur les orbites planétaires, a pu convaincre l'astronome allemand Johannes Kepler il y a quatre siècles que les orbites planétaires, dont l'origine est la gravité, étaient des ellipses et non des cercles.
"Le modèle elliptique de Kepler n'a rien dit sur l'origine physique des ellipses, mais sa modélisation cinématique était un point de départ essentiel pour le travail de Newton sur la dynamique 50 ans plus tard", a déclaré Jun. "Nous ne savons pas si la biologie suit les traces de l'histoire de la physique, mais des exemples s'accumulent que certaines branches de la biologie deviennent une science aussi quantitative que la physique". Téléchargez cet article en PDF
