From cells to tissues : physical modelling of the collective behaviour of embryonic cells

• Auteur / Autrice : Jos Käfer
• Direction : François Graner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés libres

Morphogenèse biologique

Adhésion cellulaire

Motifs cellulaires

Agrégats de cellules

Résumé

Pour comprendre comment les propriétés mécaniques des cellules jouent au niveau d'un tissu et déterminent la morphogénèse, il a été proposé que les cellules se comportent comme les bulles de savon, ou comme des molécules dans un liquide. Nous testons numériquement ces analogies entre tissus et systèmes physiques, en collaboration avec des experimentateurs. Dans la rétine de la Drosophile, les cellules ont été comparées aux bulles de savon. On trouve que la ressemblance entre les cellules et bulles de savon n'est pas due à leur propriétés physiques, mais à leur structure collective: les cellules dans un tissu pavent l'espace, comme les bulles dans une mousse, donc elles influencent leur formes entre elles. Le tri spontané des cellules de types différents est souvent comparé à la démixion de liquides. Pour les liquides, ce comportement est produit par des différences d'attraction entre les molécules, alors qu'on trouve que pour les cellules embryonnaires du poisson zèbre la contraction différentielle du cortex des cellules est le facteur le plus important. La compression d'un agrégat de cellules a été analysé comme si c'était une goutte liquide, où les propriétés sont déterminées uniquement par la tension de surface. Mais, les cellules dans un agrégat peuvent se déformer et se réarranger, et des contraintes plutôt solides co-déterminent la forme et les forces de l'agrégat. Ces analogies physiques sont donc incomplètes, mais intéressantes. A partir d'elles, nous proposons ici une description propre aux cellules: un agrégat ou tissu est une collection de cellules vivantes qui peuvent changer leur forme et se réarranger. Cette approche nous permet d'étudier l'effet de l'adhésion cellulaire, la tension corticale, et les fluctuations des cellules sur le comportement collectif et la morphogénèse.

To understand how cellular mechanical properties act on the level of a tissue, where they are implied in morphogenesis, it has been proposed that cells act as soap bubbles or molecules in a liquid. We test these analogies between tissues and physical systems with a computational model, in collaboration with experimentalists. In the retina of Drosophila, the packing of cells has been compared to soap bubble packing. We find that the resemblance is not due to the physical resemblance of cells and bubbles, but to a similar organisation on the collective level: cells in a tissue tile the space, like bubbles in a foam, thereby influencing each other's shapes. The spontaneous sorting of cells of different types has been compared to the demixing of liquids. While in liquids this behaviour is due to the attraction between molecules, we find that in aggregates of zebrafish germlayer cells differential contraction of the cytoskeleton plays a role as well. Compression of an aggregate of cells has been analysed as if the aggregate behaved as a liquid drop, where only the surface tension determines its properties. However, individual cells in the aggregate deform and rearrange, and solid-like stresses inside the aggregate co-determine its shape and forces. The widely used physical analogies prove thus to be incomplete, but interesting. We propose a distinctive description, in which an aggregate or tissue is a collection of closely packed living cells that change shape and rearrange. This approach allows to study how cell adhesion, cortical tension and the cellular fluctuations govern the behaviour on the collective level, and on morphogenesis.