Auto-organisation de l’activité contractile et des écoulements cytoplasmiques chez l’organisme modèle Physarum polycephalum

Self-organization of contractile activity and cytoplasmic flows of the biological model Physarum polycephalum

• Auteur / Autrice : Valentin Busson
• Direction : Marc Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Biophysique
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : José Halloy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Lorthois, Jean-Paul Rieu, Francis Corson, Philippe Marmottant, Audrey Dussutour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvie Lorthois, Jean-Paul Rieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contractilité

Systèmes auto-organisés

Courants cytoplasmiques

Physarum polycephalum

Biophysique

Mots clés libres

Réseau de transport

Matière active

Milieux excitables

Milieux non-linéaires

Oscillateurs couplés

Transport network

Active matter

Exitable medium

Non-linear medium

Coupled oscillators

Résumé

La génération d’écoulements sur de grandes distances est cruciale pour le fonctionnement de nombreux organismes vivants. Un mécanisme très répandu pour générer de tels écoulements est via la contraction du cortex d’actomyosine pompant le fluide environnant. Même en l’absence d’un “stimulateur” tel que le cœur, on constate que la dynamique du cortex d’actomyosine peut s’auto-organiser pour donner lieu à des écoulements coordonnés sur de grandes distances.À l'instar de E. coli ou C. elegans, Physarum polycephalum fait partie des organismes modèles intensément étudiés par la communauté scientifique. Dans sa phase végétative, appelé plasmode, cet organisme est constitué de milliers de cellules indifférenciées qui ont fusionné pour former une cellule géante multinucléée pouvant atteindre des tailles macroscopiques (plusieurs dizaines de cm²). Cet organisme développe alors un réseau tubulaire dans lequel des écoulements oscillants sont générés par la contraction active de la couche membraneuse entourant les éléments tubulaires. Le rôle de ce réseau de transport est double : d’une part il supplée aux écoulements diffusifs qui sont trop faibles pour transporter les nutriments et les divers signaux biochimiques sur de telles échelles. D’autre part il permet de transporter la masse corporelle de l’organisme en jouant sur la transition sol-gel du cytoplasme.P. polycephalum apparaît donc comme l’un des organismes les plus simples pourvu d’un réseau de transport. En dépit de cette apparente simplicité, la formation de ce réseau tubulaire partage de nombreux points communs avec le développement du réseau vasculaire d’organismes plus évolués, ou celui conduisant à l’irrigation de tumeurs. En particulier, on peut identifier clairement deux phases dans le développement du réseau : tout d’abord une phase de croissance d’un réseau primaire densément réticulé, puis une phase de réorganisation au cours de laquelle le réseau primaire se hiérarchise, certaines veines grossissant au dépend d’autres qui disparaissent. D’un point de vue physique, le plasmodium se comporte comme un gel actif, qui aux temps courts génère des ondes de contraction induisant les mouvements péristaltiques du fluide, et aux temps longs contrôle sa transition sol-gel pour croître, se mouvoir, et modifier l’architecture de son réseau.Ce travail de thèse porte sur la caractérisation de l’activité contractile chez P. polycephalum, et de son couplage avec les écoulements cytoplasmiques traversant le réseau (aux temps courts) et de l’évolution de celui-ci (aux temps longs). L'adaptation non-neurale de l'activité contractile et des écoulements à l’environnement extérieur (via une boucle de rétroaction inconnue) est soupçonnée d’être à l'origine de la capacité de l'organisme à réaliser des tâches complexes telles que la migration préférentielle ou le calcul des plus courts chemins entre des sources de nourritures. La caractérisation de la nature de ce mécanisme auto-organisateur inconnu constitue donc un pas vers la compréhension de l’émergence de la cognition animale. À l’aide d’un dispositif d’imagerie en transmission, j’ai caractérisé les motifs contractiles observés dans des phases de stagnation et de croissance du plasmode, et montré que cette dernière nécessite une coordination de l’activité contractile sur de grandes distances de la part de l’organisme, pourtant dépourvu de cœur et de système nerveux.Puis, dans un travail mêlant expériences et modélisations, j’ai mis en évidence l’effet du confinement spatial sur l’activité contractile, sur les écoulements que celle-ci génère au sein du cytoplasme et sur la réorganisation du réseau tubulaire.Enfin, à partir des observations de réorganisation et de l'analyse numérique des réseaux tubulaires formés je propose un modèle de hiérarchisation de réseaux dont le principe repose sur la minimisation de la dissipation visqueuse due aux écoulements.

The generation of flows over long distances is crucial for the functioning of many living organisms. A widespread mechanism for generating such flows is via the contraction of the actomyosin cortex pumping the surrounding fluid. Even in the absence of a ''stimulator'' such as the heart, it is found that the dynamics of the actomyosin cortex can self-organize to give rise to coordinated flows over long distances.Like E. coli or C. elegans, Physarum polycephalum is one of the model organisms intensely studied by the scientific community. In its vegetative phase, called plasmodium, this organism consists of thousands of undifferentiated cells that have fused to form a multinucleated giant cell that can reach macroscopic sizes (several tens of cm²). This organism then develops a tubular network in which oscillating flows are generated by the active contraction of the membranous layer surrounding the tubular elements. The role of this transport network is twofold: on the one hand, it supplements diffusive flows that are too weak to transport nutrients and various biochemical signals on such scales. On the other hand, it allows the transport of the body mass of the organism by playing on the soil-gel transition of the cytoplasm.P. polycephalum thus appears to be one of the simplest organisms with a transport network. Despite this apparent simplicity, the formation of this tubular network shares many similarities with the development of the vascular network of more evolved organisms, or that leading to the irrigation of tumors. In particular, we can clearly identify two phases in the development of the network: first, a phase of growth of a densely reticulated primary network, then a phase of reorganization during which the primary network becomes hierarchical, with some veins growing at the expense of others that disappear. From a physical point of view, plasmodium behaves like an active gel, which at short times generates waves of contraction inducing peristaltic movements of the fluid, and at long times controls its sol-gel transition to grow, move, and modify the architecture of its network.This thesis work focuses on the characterization of the contractile activity in P. Polycephalum, and its coupling with the cytoplasmic flows crossing the network (at short times) and its evolution (at long times). The non-neural adaptation of contractile activity and flows to the external environment (via an unknown feedback loop) is suspected to be at the origin of the organism's ability to perform complex tasks such as preferential migration or the calculation of the shortest paths between food sources. Characterizing the nature of this unknown self-organizing mechanism is therefore a step towards understanding the emergence of animal cognition. Using a transmission imaging device, I have characterized the contractile patterns observed in phases of stagnation and growth of the plasmodium, and shown that the latter requires a coordination of contractile activity over large distances from the organism, which lacks a heart and a nervous system.Then, in a work mixing experiments and modelling, I have highlighted the effect of spatial confinement on the contractile activity, on the flow patterns this activity generates within the cytoplasm and on the reorganization of the tubular network.Finally, from the observations of reorganization and numerical analysis of the tubular networks formed, I propose a model of network hierarchization whose principle is based on the minimization of flows' viscous dissipation.