Les anémones de mer « font de l’exercice » pour construire leur corps

Les anémones de mer commencent leur vie sous la forme de larves légèrement ovoïdes, nageant librement, et se métamorphosent en adultes tubulaires allongés, collés au rocher et portant des tentacules autour de la bouche. Cela implique des changements drastiques dans le comportement et la forme de vie, ainsi que des changements importants dans les tissus. Bien que le développement embryonnaire ait fait l’objet de recherches dans le passé et que le comportement des premiers embryons ait été étudié, il n’est pas clair dans quelle mesure l’activité physique d’un embryon influence son propre changement de forme corporelle.

Dans le passé, les scientifiques souhaitant cartographier les liens entre le comportement dynamique et les changements corporels qui se produisent au cours de la métamorphose ont été gênés par le manque de stratégies d’imagerie en direct permettant de capturer la dynamique de cette transition de l’histoire de la vie. Les chercheurs du Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) ont désormais surmonté cet obstacle grâce à leur expertise en imagerie en direct, en méthodologie informatique, en biophysique et en génétique. Ils ont réussi à se transformer Imagerie 2D et 3D en direct sur des caractéristiques quantitatives pour suivre les changements dans les corps des anémones de mer starlettes en développement (Nématostelle). Les résultats ont été publiés dans la revue Biologie actuelle.

Les experts ont mis au point une méthode d’imagerie en direct à haut débit à l’aide d’un microscope spécialement adapté et ont observé les changements qui se produisent lors de la transition de la larve au polype chez 707 anémones. Cela s’est déroulé sur environ sept jours et les chercheurs ont enregistré les changements à intervalles de 5 minutes. Ils ont constaté que la circularité des larves diminuait considérablement au cours de la transition, principalement en raison d’une multiplication par 3 à 4 de la longueur du corps du polype à mesure qu’il devenait plus tubulaire et développait des tentacules buccaux.

Pendant cette période, les anémones de mer se comportaient comme des pompes hydrauliques, captant de l’eau et régulant la pression corporelle grâce à l’activité musculaire. Les chercheurs ont exécuté des modèles spécifiques de mouvements de gymnastique qui exerçaient une pression sur certains tissus, sculptant ainsi la forme du corps à mesure qu’il s’allongeait. Trop ou pas assez d’activité musculaire ou un changement drastique dans l’organisation de leurs muscles pourraient faire dévier l’anémone de mer de sa forme normale.

« 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. En utilisant 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 rapide. À la surprise de l’équipe, plus les larves sont actives, plus elles mettent de temps à se développer.

« Nos travaux montrent 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.

Les anémones en développement utilisent ce système hydraulique pour remodeler leurs tissus pendant cette période. Grâce à l’utilisation d’ondes péristaltiques, de compressions et de contractions longitudinales, ils stimulent la prolifération des tissus à certains endroits et la mort cellulaire à d’autres, modifiant ainsi la disposition de leurs tissus corporels.

« La réalisation de cette recherche a posé de nombreux défis », a expliqué Anniek Stokkermans, premier auteur et ancien prédoctorant de l’EMBL, aujourd’hui postdoctorant 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 souhaitez l’observer en 3D. De plus, l’animal est assez dense, de sorte que la plupart des microscopes ne peuvent même pas voir la moitié de l’animal.

Pour regarder à la fois plus profondément et plus rapidement, Ling Wang, ingénieur d’application au sein du groupe Prevedel de l’EMBL, a construit un microscope pour capturer les larves d’anémones de mer vivantes et en développement en 3D au cours de 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 une vue claire et détaillée à l’intérieur et en 3D. a déclaré Robert Prevedel, chef du groupe EMBL. « Cela a été un projet passionnant qui montre les nombreuses interfaces différentes entre les groupes et 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 captant l’eau de l’environnement », explique Stokkermans. « Ensuite, en contractant différents types de muscles, ils peuvent réguler leur forme à court terme, un peu comme si on pressait un ballon gonflé d’un côté et qu’on le regardait 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.

Pour mieux comprendre l’hydraulique et son fonctionnement, les chercheurs ont collaboré avec des experts de toutes disciplines. Prachiti Moghe, 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 Harvard ont introduit un modèle mathématique pour quantifier le rôle des pressions hydrauliques dans les 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 déficients.

« Étant donné 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 techniques, l’hydraulique est définie par la capacité d’exploiter la pression et le débit dans un travail mécanique, avec des effets à longue portée dans l’espace-temps. À mesure que la multicellularité animale évoluait dans un environnement aquatique, nous proposons que les premiers animaux exploitaient probablement la même physique, l’hydraulique pilotant à la fois les décisions de développement et de comportement.

« Nous avons encore de nombreuses questions concernant ces nouvelles découvertes », a déclaré Stokkermans. « 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 ? De plus, étant donné que les structures tubulaires 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.

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Par Alison Bosman, Espèces-menacées.fr Rédacteur