Effet des champs externes faibles sur l'auto-organisation des microtubules : comparaisons entre expériences et simulations numériques

Weak external fields effect on microtubule self-organisation : comparisons between experiments and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Nicolas Glade
• Direction : James Tabony, Jacques Demongeot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biophysique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs magnétiques

Gravité

Bifurcation, Théorie de la

Microtubules

Équations de réaction-diffusion

Résumé

Ce travail s'intéresse aux processus physico-chimiques sous-jacents à l'auto-organisation du vivant, par lesquels une solution de réactifs chimiques, initialement homogène, s'auto-organise spontanément pour laisser apparaître de l'ordre et des structures macroscopiques. Des théoriciens ont prédit que l'auto-organisation pouvait apparaître lors d'un couplage entre des processus réactifs et de la diffusion moléculaire. La présence ou l'absence d'un champ faible, comme la gravité, à un moment critique, précoce dans le processus d'auto-organisation, détermine l'état qui va se développer. La formation in vitro de microtubules, éléments essentiels du cytosquelette, se fait comme cela est prédit par les théories mentionnées précédemment. Les préparations de microtubules s'auto-organisent spontanément par des processus de réaction-diffusion, et la morphologie qui se forme alors, dépend de la présence de la gravité à un moment critique, à une étape précoce du processus. Dans nos expériences, nous avons montré qu'un phénomène associé dans les cellules vivantes, le déplacement et l'ordonnancement de particules subcellulaire, se faisait in vitro, au cours de l'auto-organisation des microtubules. L'aspect principal du travail expérimental présenté a toutefois concerné l'étude de l'effet des champs externes sur les préparations de microtubules. J'ai montré que l'on peut obtenir des conditions d'apesanteur au sol et que, dans ces conditions, les microtubules ne s'auto-organisent pas. Ceci peut être corrigé grâce à d'autres facteurs externes. En parallèle, j'ai développé un modèle numérique de réaction-diffusion, fondé sur la dynamique d'une population de microtubules, qui simule l'auto-organisation microtubulaire. Dans ce travail sont présentés les fondements du modèle et nous discutons de la façon dont un dialogue permanent, entre la simulation et les expériences, nous a aidé à développer une compréhension microscopique de ces phénomènes collectifs. Les simulations numériques ont permis de reproduire l'ensemble des observations expérimentales.

This work is concerned with the physical chemical processes underlying biological self-organisation by which an initially homogenous solution of reacting chemicals spontaneously self-organises so as to give rise to a preparation of macroscopic order and form. Theoreticians have predicted that self-organisation can arise from a coupling of reactive processes with molecular diffusion. In addition, the presence or absence of an external field, such as gravity, at a critical moment early in the self-organising process may determine the morphology that subsequently develops. The formation in-vitro of microtubules, a major element of the cellular skeleton, shows this type of behaviour. The microtubule preparations spontaneously self-organise by way of reaction and diffusion and the morphology of the state that forms depends upon the presence of gravity at a critical moment early in the process. In our experiments, I have shown that an associated phenomenon in living cells, the transport and organisation of subcellular particles, arises when microtubules self-organise in vitro. The principal objective of the experiments presented is the effect of weak external fields on microtubule self-organisation. I have shown that it is possible to reproduce the results of experiment carried in space using ground-based apparatus. Under these conditions there is no self-organisation. Self-organisation can be restablished with other external fields and factors. In addition, we have developed a numerical reaction-diffusion scheme, based on the chemical dynamics of a population of microtubules, that simulates the experimental self-organisation. In this work we outline the main features of these simulations and discuss the manner by which a permanent dialogue with experiment has helped develop a microscopic understanding of the collective behaviour. The numerical simulations predict the major features of the experimental observations.