Des cellules biomimétiques pour étudier les déformations de membrane induites par l'actine
Institution:
Paris Sciences et Lettres (ComUE)Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Cell membrane deformations are essential to ensure cellular processes such as motility, division, intracellular transport and signalling. These deformations range from global shape changes such as cell rounding or elongation during cell division, to protrusions and invaginations, which allow the cell to probe its environment and uptake external components, respectively. Strikingly, membrane deformations rely on the activity of the cytoskeleton, and in particular actin, a biopolymer that forms a dynamical network. The precise role of actin and its implication in the different mechanisms at work during cell shape changes still need to be elucidated. To address this, I take an alternative approach to the complexity of cells and I use an in vitro reconstituted system to mimic shape changes with a minimal set of components: lipids and purified proteins. A branched actin network is grown at the surface of giant unilamellar vesicles, thereafter called liposomes. With this biomimetic system, I control experimental parameters such as membrane tension, varied by applying an osmotic shock, and actin network architecture, varied by modifying the protein composition. In the first part of my work, actin dynamics occur at the outer surface of the liposome and I obtain a wide variety of cell-like membrane deformations, from global shape changes of liposomes to micron scale deformations that are reminiscent of dendritic filopodia and endocytic intermediates in cells. Combining experiments and theoretical modelling, our results unveil the mechanisms of actin-driven membrane deformations, and more precisely the role of tension and network architecture. In the second part, I encapsulate the actin machinery in a liposome in an attempt to reproduce the invasion of the bacteria Shigella flexneri. To push further in the knowledge of the details of the initiation of membrane deformations, I present, in the third part, a microfluidic device, still in development, to follow precisely in real time all the steps of actin polymerization and cell-like shape changes. Once optimized, this device will provide a useful tool for other dynamical studies where micron-size objects need to be isolated.
Abstract FR:
Une cellule vivante est un système dynamique et complexe et sa membrane joue le rôle de barrière sélective avec l'environnement extérieur. Cette membrane doit se déformer en permanence pour assurer des fonctions vitales telles que la migration, la division, le transport intracellulaire ou encore la transmission de signaux neuronaux. Ces déformations sont aussi bien des invaginations, pour permettre à la cellule d'absorber des composants de l'extérieur, des excroissances, pour sonder son environnement, ou encore des changements de forme globale lors de la division cellulaire notamment. De manière étonnante, ces différentes déformations de la membrane dépendent de l’activité d'un même élément : le cytosquelette, et plus particulièrement d'une protéine appelée actine, un biopolymère qui forme un réseau dynamique. Le rôle précis de l'actine et son implication dans les différents mécanismes à l'œuvre lors des changements de forme cellulaire restent à élucider. Pour s'affranchir de la complexité de la cellule, j'utilise un système reconsitué pour mimer les déformations de la membrane à partir d'un nombre minimal d'ingrédients: des lipides et des protéines purifiées. Je reconstitue un réseau branché d'actine à la surface de liposomes, des vésicules unilamellaires géantes, mimant la membrane cellulaire. L’intérêt de ce système est le contrôle des propriétés physiques et mécaniques de la membrane (tension) et du réseau d’actine (longueur des filaments, taille de la maille). Dans la première partie de mon travail, le réseau d'actine est reconstitué à la surface externe du liposome et j'obtiens une grande variété de déformations de membrane, allant des changements de forme globale des liposomes à des déformations plus localisées, à l'échelle du micron, qui rappellent les déformations observées dans les cellules. En combinant expérience et modélisation théorique, nos résultats révèlent les mécanismes des déformations de membrane induits par l'actine, et plus précisément le rôle de la tension de membrane et de l'architecture du réseau d'actine. Dans la deuxième partie, le réseau d'actine est encapsulé dans un liposome pour tenter de mimer l'invasion de la bactérie Shigella flexneri. Enfin, pour approfondir notre compréhension des déformations de membrane et mieux comprendre les détails de leur initiation, je présente, dans la troisième partie, l'élaboration d'un dispositif microfluidique, encore en développement, pour suivre précisément en temps réel toutes les étapes de polymérisation de l'actine et des déformations membranaires. Une fois optimisé, ce dispositif sera un outil utile pour étudier la dynamique d'objets de taille micrométrique qui nécessitent d'être isolés.