​Quelques secondes d’éternité

Le spectacle conçu et réalisé pour le musée d’Orsay parle de la forme des cellules. Les images produites sont réelles. Il n’y a ni simulations numériques ni intelligence artificielle, ce sont des séries de photographies prises avec des microscopes. Les expériences ont été réalisées par les membres du laboratoire CytoMorpho (CEA/CNRS), à Paris et à Grenoble, sous la direction scientifique de Manuel Théry, chercheur CEA. Les jeunes étudiant-es et leurs encadrant-es ont consacré plusieurs mois à adapter leurs expériences pour mettre en lumière les questions qui animent leurs travaux de recherche. 
    
Le scénario choisi parle de la morphologie des cellules et de la façon dont elles s’adaptent à leur environnement. En plus de la forme, il met l’accent sur l’architecture intérieure des cellules qui elle aussi s’adapte à l’environnement. Il souligne que ce qui est vivant ce n’est pas la cellule elle-même mais l’association entre la cellule et son environnement. C’est ce couplage qui a permis à la vie de se maintenir pendant des milliards d’année.

Les organismes vivants ne sont pas figés. Ils se renouvellent en permanence et c’est cette particularité qui leur permet de s’adapter. Non seulement les cellules dont ils sont constitués se renouvellent mais les expériences réalisées montrent que les composants internes des cellules sont également renouvelés en continu. Les images suggèrent que pour une cellule, le temps qui compte n’est pas la seconde ou la minute mais le temps qu’il lui faut pour se renouveler. 

L’architecture intérieure des cellules est faite de petits filaments. Ces filaments sont liés entre eux et forment de grands réseaux. Ces réseaux se renouvellent en permanence. Des filaments s’assemblent, d’autres se désassemblent. Les uns remplacent les autres et progressivement l’ensemble du réseau se renouvelle tout en conservant sa structure. Grâce à cette dynamique, le réseau peut croître d’un côté ou se rétracter d’un autre et ainsi changer la forme de la cellule. Le spectacle montre ce processus de changement de forme des cellules, de réorganisation de leur réseau de filaments et révèle une remarquable cohérence entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, entre la structure de son réseau de filament et l’architecture du musée. Les filaments changent d’orientation en fonction de l’agencement des poutres ou de l’espacement des pierres du musée. Cette impressionnante plasticité soulève la question de la limite de ce fonctionnement. Jusqu‘à quel point la cellule peut-elle se construire à l’image du musée ? Certaines formes sont-elles impossibles ? Certaines tailles sont-elles inatteignables ?

Introduction : les filaments du squelette des cellules

Les premières images illustrent l’apparition de structures élémentaires en montrant la genèse et la croissance de filaments. En les regardant au plafond du musée, on observe que ces filaments sont dynamiques, ils s’allongent puis se raccourcissent. Cett dynamique illustre ainsi, sous une forme simple, que la vie détruit autant qu’elle assemble.

De façon inhabituelle, dans ces expériences, les filaments qui sont montrés ne sont pas dans des cellules vivantes. Ils sont assemblés à partir de protéines purifiées. En effet, les chercheurs de l’équipe étudient les cellules mais aussi les propriétés intrinsèques des filaments qui constituent leur squelette. Et pour ce faire, ils fragmentent les cellules, et ne récupèrent que les protéines qui participent à l’assemblage des filaments. Ces protéines sont ensuite remélangées dans des proportions bien précises afin d’étudier la façon dont ces filaments s’assemblent et forment des réseaux. Les images montrent donc des filaments biologiques mais qui ne sont plus dans des cellules. Ces filaments, isolés des cellules, nous révèlent leurs propriétés les plus fondamentales.

Première partie, Emergence de l’ordre et genèse des formes

Cette série d’expériences illustre le fait que le vivant crée de l’ordre et ce faisant il dessine des formes. Certaines protéines en circulant sur les filaments exercent des forces qui les déplacent. Lorsque les filaments sont peu nombreux, les trajectoires semblent aléatoires mais plus ils sont nombreux et plus ils s’alignent jusqu’à se déplacer de façon totalement coordonnée. Des axes de symétrie apparaissent dans les déplacements et les marches erratiques s’orientent dans l’espace.

Si on ajoute alors d’autres protéines qui se déplacent dans le sens inverse alors les forces opposées s’équilibrent et les filaments s’immobilisent. En s'alignant, les filaments tracent des frontières, qui imitent des formes. Ces formes sont très particulières, elles ne sont pas statiques, elles sont "actives". Elles consomment de l’énergie pour produire des forces de part et d’autre des frontières. Si l'équilibre est modifié elles peuvent se déformer, mais s’il est rompu elles disparaissent et le désordre reprend ses droits.

Les filaments peuvent également produire des forces en s’allongeant. Ils peuvent ainsi déplacer l’objet contre lequel ils poussent. C’est le mécanisme qui déforme les membranes des cellules. Dans ces expériences les filaments poussent des billes qui explorent l’espace. 

A forte densité, un autre phénomène générateur de forme et d’ordre apparaît : les billes s’organisent en pavage régulier. Spontanément elles s’alignent et se mettent toutes à la même distance en formant un genre de cristal. Ce phénomène surprenant n’a jamais été décrit et a été découvert dans le cadre des expériences réalisées pour l’événement.

Deuxième partie, Intégration de l’architecture du musée

Comme dans les éditions précédentes du projet Architectures Vivantes, le musée a été miniaturisé à la taille des cellules. Elles se promènent dessus et sont filmées au microscope. Leurs déplacements sont si lents qu’ils sont indétectables. Les séquences d’images sont donc accélérées afin de révéler comment par des déplacements infimes les cellules s’étalent sur le micro-musée et explorent sa structure. Cela montre bien que la forme des cellules n’est pas pré-determinée et qu’elles en changent en permanence au gré des objets et des structures rencontrées. Les cellules se conforment à l’architecture du musée.

Cellules humaines en mouvement sur les poutres et les cadres métalliques des fenêtres du musée © Léa Blanc

Mais c’est en regardant à l’intérieur des cellules et à des échelles de temps plus rapides que les expériences réalisées montrent que chaque mouvement infime est soutenu par une croissance et une réorganisation rapide et complète des filaments dans la cellule. A chaque mouvement, tout le réseau intérieur est entièrement détruit et reconstruit. Si la membrane de la cellule est au contact de poutres verticales, les filaments s’alignent avec elles. Si en bougeant la cellule rencontre d’autres poutres perpendiculaires, les filaments changent d’orientation et guident la cellule dans cette nouvelle direction. Partout, des filaments sont détruits pour que d’autres puissent se former sur les nouvelles structures rencontrées par les cellules. Ce mécanisme de construction permet au réseau de filaments de répliquer à l’intérieur des cellules l’architecture rencontrée à l’extérieur. Les cellules intériorisent l’image de leur environnement. Et le renouvellement permanent du réseau permet aux cellules de sentir et de s’adapter en continu aux changements dans leur environnement. 

 

Architecture du réseau de filaments d’actine dans une cellule étalée sur une reproduction miniature de la façade du musée © Elena Rossetti, Laetitia Kurzawa

Croissance des microtubules dans une cellule étalée sur une reproduction miniature de la façade du musée © Flora Silberzan

Architecture du réseau de microtubules dans une cellule étalée sur une reproduction miniature de la façade du musée © Flora Silberzan

Les images montrent que dans la cellule, tout ce qui a été construit doit être intégralement détruit. Et la mise en pièce doit être totale et complète pour que tous les éléments puissent être réutilisés. Ce recyclage total et ce renouvellement permanent sont des signatures du vivant. Cet impressionnant ballet à l’intérieur de chaque cellule implique une coordination parfaite. Si les filaments poussent légèrement plus vite qu’ils ne sont détruits, la cellule va s’étendre et risque de déchirer sa membrane. A l’inverse, si les filaments sont détruits un tout petit peu trop rapidement alors le réseau va progressivement se réduire et la cellule risque de s’effondrer sur elle-même. Comment l’équilibre est-il atteint ? C’est une question fondamentale dont dépend la survie de tous les systèmes vivants à laquelle personne n’a la moindre réponse.

Transition

Aussi importante soient-elles, certaines questions sont trop difficiles pour être résolues dans des contextes aussi complexes que l’intérieur de la cellule. Il y a trop de composants et ils sont tous engagés dans trop de réactions. C’est insoluble.

 

Image en haute résolution de l’architecture du réseau de microtubules dans une cellule © Elisa Paulin

Troisième partie, construction d’une structure vivante

Dans cette partie, l’équipe a tenté de construire une architecture vivante qui serait celle qui s’assemblerait dans une cellule si celle-ci avait la forme du musée. Pour cela, elle a mis en place une expérience dont elle a le secret : utiliser des supports micro-structurés pour guider l’assemblage de réseaux de filaments purifiés. Les filaments vont être contraints de pousser à partir des éléments architecturaux du musée.

Sur les vitres du musée, les premiers filaments apparaissent. Chaque filament permet l’assemblage d’un autre filament, donc leur nombre croît de façon exponentielle. Rapidement les vitres sont couvertes de filaments, comme c’est le cas le long des membranes des cellules. Les filaments s’alignent le long les uns des autres et dessinent des arabesques avec des courbures régulières.

 

Réseaux de filaments, assemblés à partir d’actine purifiée, sur les vitres du musée © Christophe Guérin

En modifiant la structure mise au contact des composants purifiés, il est possible de contraindre le point de départ de leur croissance. En poussant à partir des pierres, les filaments s’alignent et forment un maillage régulier qui connecte les pierres voisines entre elles. En poussant à partir des poutres, les filaments forment des câbles perpendiculaires. Mais ces réseaux immobiles sont loin de ressembler aux réseaux dynamiques observés dans les cellules.

 

Réseau de filaments, assemblés à partir d’actine purifiée, sur les poutres du musée © Christophe Guérin

Réseau de filaments, assemblés à partir d’actine purifiée, sur les pierres du musée © Christophe Guérin

En ajoutant des protéines supplémentaires au mélange, les filaments s’alignent pour former des câbles qui se contractent. L’ensemble du réseau s’anime alors de mouvements qui ressemblent à ceux observés dans les cellules. A l’issue de la contraction, les filaments sont mis en pièce. Mais l’équilibre recherché entre construction et destruction n’est pas atteint et l’ensemble de la structure qui avait été construite sur la voute du musée s’effondre brutalement.

 

Contraction d’un réseau de filaments, assemblés à partir d’actine purifiée, sur la façade du musée © Christophe Guérin

Dans certaines conditions, la dynamique de la structure parvient à trouver un équilibre entre contraction, destruction et réassemblage. Mais ces équilibres sont précaires et la logique de leur robustesse dans les cellules nous échappe. Aussi surprenant que cela puisse sembler, tous ces assemblages impressionnants, qui sont le fruit de milliards d’années d’évolution, restent extrêmement fragiles. C’est peut-être d’ailleurs ça le cœur du mécanisme. Être fragile, être au bord de la rupture, pour pouvoir tout effacer et tout refaire, et donc explorer en permanence.

Transition

Pour que les images qui devaient couvrir l’ensemble de la voûte aient une résolution suffisante, nous avons construit des réseaux de filaments dix à cent fois plus grands que la taille normale des cellules. Il se peut qu’aucun équilibre ne soit possible à ces dimensions. Peut-être que nous approchons de la limite de stabilité des architectures vivantes. D’ailleurs nous ne savons même pas si un tel équilibre serait possible dans des cellules de cette taille.

Quatrième partie, explorer les limites

Les cellules mesurent rarement plus d’une centaine de micromètres (un dixième de millimètre). Les cellules animales que nous avons utilisées pour ce projet mesurent entre dix et cinquante micromètres. Lorsque le micro-musée fait un millimètre de long (mille micromètres) les cellules n’en couvrent qu’une petite partie. Sans même aller jusqu’à soulever la question fondamentale des limites intrinsèques de la taille des unités du vivant, nous pouvons nous demander ce qu’il adviendrait d’une cellule que nous forcerions à être dix à cent fois plus grosse que sa taille normale. Une telle cellule serait potentiellement capable de couvrir tout le musée. 

Nous avons donc mis en place un nouveau protocole pour créer des cellules géantes et observer la dynamique et l’équilibre de leur réseau de filaments. Nous avons forcé des cellules voisines à fusionner entre elles grâce à des protéines virales qui fragilisent la perméabilité des membranes. De très grandes cellules, issues de la fusion de plusieurs cellules, parviennent à couvrir une grande partie du musée mais pas son intégralité.

En forçant quelques très grandes structures à fusionner entre elles quelques très grandes cellules nous obtenons des cellules géantes avec des dizaines de noyaux. Ces monstres parviennent presque à couvrir tout le musée et la structure de leur réseau de filaments ne ressemble en rien à ce que nous avons l’habitude de voir. L’ensemble du réseau semble avoir perdu sa cohérence : on observe plusieurs sous-domaines avec des orientations différentes.

Mais ces monstres ne sont pas viables. Quelques heures après leur formation, ils se rétractent brutalement et meurent. Leur existence se limitera donc à cette expérience.

Nous avons donc échoué à couvrir l’intégralité du micro-musée d’un millimètre de long avec un système vivant. Ni les structures reconstituées ex vivo, ni les cellules géantes n’ont réussi à se maintenir à une telle taille. Après ces quelques expériences, nous ne pouvons tirer de conclusion sur la généralité de ce phénomène, mais il est possible que nous ayons ouvert une fenêtre sur la limite de stabilité des structures dynamiques de filaments qui sous-tendent la forme des cellules.

Conclusion

L’ensemble de ces expériences illustre que c’est en se détruisant en permanence que les systèmes vivants peuvent se reconstruire en s’adaptant aux changements de leur entourage. Les liens entre les composants biologiques sont si fragiles qu’ils peuvent être rompus et reconstruits facilement, ce qui offre une grande plasticité aux structures vivantes. Cette plasticité permet une cohérence spatiale intime entre les cellules et leur environnement. A l’inverse des matériaux inertes au sein desquels la force des liens permet de résister et de durer, c’est la fragilité de ces liens qui permet aux systèmes vivants de se réinventer en permanence. Mais leur plasticité est aussi leur point faible. Si l’équilibre entre destruction et construction n’est pas parfait, le système ne tient pas et meurt rapidement. Cependant, ces échecs sont constructifs. Dans un monde où les ressources sont limitées, la destruction rapide des systèmes inadéquats permet aux composants cellulaires d’être réutilisés pour recommencer.

Les cellules utilisent ainsi leur dynamique interne pour explorer tout ce qui est possible, sans but ni intention, seulement parce que c’est possible. Tout ce qui est trop instable s’écroulera et laissera la place à d’autres tentatives. Les cellules passent donc leur temps à jouer avec les limites de leur stabilité. La plupart d’entre elles vont en mourir. Nous sommes aujourd’hui le produit d’une évolution qui a été pavée par la mort de milliards de milliards de cellules. Ces aventurières n'ont pas tenté d’atteindre un but particulier qui les auraient rendues plus robustes ou plus efficaces. Elles ont tenté tout ce qui était rendu possible par leur dynamique interne.

Méthodologie