Applying optical tweezers in vivo : A biophysical study of mechanical forces in Drosophila Melanogaster at the onset of gastrulation

par Kapil Bambardekar

Thèse de doctorat en Biophysique

Sous la direction de Pierre-François Lenne.

Le président du jury était Atef Asnacios.

Le jury était composé de Hugues Giovannini.

Les rapporteurs étaient Emmanuel Courtade, Sylvie Dufour.


  • Résumé

    Nous avons développé un dispositif combinant pinces optiques et imagerie par feuillet de lumière. Nous montrons que les interfaces cellulaires de l'épithélium précoce de l'embryon de Drosophile peuvent être piégées et manipulées directement avec des pinces optiques. La manipulation optique est réalisée à la fin de la cellularisation, processus par lequel des membranes cellulaires séparent les noyaux pour donner naissance à un épithélium ; à ce stade, les mouvements cellulaires sont minimes et les cellules ont des formes hexagonales similaires. En imposant un mouvement sinusoïdal au piège perpendiculairement à une interface, nous étudions la déflection de l'interface en fonction de la puissance laser, de l'amplitude du mouvement du piège et de la fréquence d'oscillation. En outre, des expériences de déflection-relaxation par déplacement instantané puis arrêt du piégeage, ont été réalisées, fournissant une alternative à l'analyse fréquentielle pour étudier les propriétés viscoélastiques de l'interface. Un modèle de type solide linéaire standard rend compte des observations et permet d'extraire les paramètres viscoélastiques de l'interface. Nous mettons également en évidence que la déflection imposée à une interface se propage aux interfaces voisines en s'affaiblissant exponentiellement sur une distance d'une à deux cellules. Cette technique étant établie, nous l'utilisons pour mesurer les tensions durant l'extension de la bandelette germinale. Les tensions sont anisotropes, les jonctions parallèles à la direction dorsoventrale ayant une tension trois fois plus élevée que celles perpendiculaires. Ce travail fournit des mesures absolues des tensions intercellulaire.


  • Résumé

    Here, an optical tweezers setup was developed on a pre-existing single-plane illumination (SPIM) setup. The cell-cell interface in embryonic epithelia could be trapped and manipulated directly with optical tweezers. The interaction of the interface with the trap was initially characterized at the end of cellularization where the tissue has minimal movements and actomyosin turnover. With a sinusoidal trap excursion, the interface amplitude was found to increase linearly with applied laser power as well as trap amplitude and time period. Furthermore, push and pull experiments on the interface responding to a stationary trap, provided another way to address the viscoelastic properties of the interface. The interface kinetics in stationary experiments could fit adequately to a passive viscoelastic model. This model also explained well the linear response to trap amplitude and time period, and formed the basis of estimating interface tension from its amplitude. Moreover, the propagation of the sinusoidal movement to neighbouring interfaces decayed rapidly with minimal phase lag in both experiments and the model. Having established a suitable regime of trapping conditions, where interface deflection is small and linear, the mechanical anisotropy of the epithelium was at the onset of gastrulation. The interface tension increased by 2-3 fold, exhibiting both apico-basal and dorso-ventral polarization of tension, concomitant with polarized accumulation of myosin. The role of myosin was established further through ROCK-inhibition. Perturbation of actin also decreased the interface tension. My work provides a crucial insight into the mechanical behaviour of dynamic epithelia.


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