Impact of mechanical stresses on cellular physiology
Impact des contraintes mécaniques sur la physiologie cellulaire
Résumé
"Confinement" is a word that resonates in a rather special way at the end of 2021. Synonymous with constrain or limitation, it is everywhere. However, while this term when applied to individuals is familiar to us, it is much less so when it comes to cell growth. Yet, we are often in contact with multicellular systems confined by their environment. An emblematic example is the growth of roots under roads capable of damaging this road. Other examples such as growth of tumors or the creation of biofilms in certain types of microbes are equally important. In our study, we will focus on the impact of this confinement on cell physiology. We will use as a model organism the yeast S. cerevisiae commonly studied in research laboratories for its ease of handling and our ability to make changes to its genome. In a previous study, it was shown that when cells are placed in a confined space they generate mechanical pressure by pushing on their environment as they grow. This observation led us to study cells subjected to this growth-induced pressure, with a particular interest in the modification of the rheological properties of cells, which are able to modulate biochemical reactions. Before studying the changes induced by mechanical stresses, we will define and characterize movements of tracer particles in cells through simulations and unconstrained experimental observations. We will then show that the movement of fluorescent tracer particles in the cytoplasm slows down when cells are confined. Our hypothesis is that this decrease is due to an increase of crowding inside cells caused by an increase in concentration of macromolecules. This hypothesis led us to observe cell growth and to observe a decrease of this growth when cells are spatially constrained. We find that this effect is related to a decrease in protein production caused by increased crowding. While the increase in crowding leads to limitations in the mechanisms of growth and protein production, we also report impacts on other biological mechanisms such as phase separation or metabolism, which can specifically adapt the cell to confined growth. Confinement of cells leads to an induction of mechanical pressure caused by cell growth. This pressure causes changes in the rheology of cells, which will induce a decrease in growth associated with a decrease in the rate of protein production. As this phenomenon is purely biophysical, we believe that it is possible that the effects of these variations can be found in other biological processes, and even in other organisms such as mammalian cells, bacteria or plants.
Le "confinement" est un mot qui résonne de manière assez spéciale dans nos oreilles en cette fin d'année 2021. Synonyme de blocage ou de limitation il est devenu incontournable. Cependant si ce terme lorsque qu'il est appliqué aux individus nous est familier, il l'est beaucoup moins lorsque l'on parle de croissance cellulaire. Et pourtant, nous sommes souvent en contact avec des systèmes multicellulaires qui sont confinés par leur environnement. Un exemple emblématique est la croissance des racines sous les routes capables d'endommager celles-ci. Mais nous pouvons retrouver d'autres exemples comme la croissance des tumeurs ou la création de biofilms de certains microbes. Nous allons dans notre étude nous concentrer sur l'impact de ce confinement spatial sur la physiologie cellulaire. Nous prendrons comme organisme d'étude la levure S. cerevisiae couramment utilisée dans les laboratoires de recherche pour sa facilité de manipulation et notre capacité à réaliser des modifications de son génome. Dans une étude précédente, il a été montré que lorsque l'on place les cellules dans un espace confiné, elles génèrent une pression mécanique en poussant sur leur environnement lors de leur croissance. Cette observation nous a conduit à étudier les cellules lorsque qu'elles sont soumises à cette pression induite par la croissance. Nous porterons un intérêt particulier à l'évolution des propriétés rhéologiques des cellules sous contrainte, qui peuvent physiquement impacter de nombreux processus biologiques. Ainsi, avant d'étudier les changements que vont induire les contraintes mécaniques, nous allons définir et caractériser les mouvements de nano-traceurs dans les cellules au travers de simulations et d'observations expérimentales sans contraintes. Ensuite, nous allons montrer que ce mouvement de traceurs fluorescents dans le cytoplasme est ralenti lorsque les cellules sont confinées. Notre hypothèse est que cette diminution est due à une augmentation de l'encombrement des cellules causée par une augmentation de la concentration en macromolécules. Cette hypothèse nous amènera à observer la croissance des cellules et à remarquer que celle-ci aussi diminue lorsque les cellules sont spatialement contraintes. Nous constaterons que cette diminution de la croissance est liée à une diminution de la production protéique causée par l'augmentation de l'encombrement. Si l'augmentation de l'encombrement entraine des limitations dans les mécanismes de croissance et de productions protéiques, nous avons aussi constaté des impacts sur d'autres mécanismes biologiques tels que la séparation de phase ou le métabolisme, qui peuvent spécifiquement altérer la réponse cellulaire. En conclusion, le confinement des cellules entraine l'émergence d'une pression mécanique causée par la croissance des cellules. Cette pression entraine des changements dans la rhéologie des cellules ce qui induit une diminution de la croissance liée à une diminution du taux de production des protéines. Ce phénomène étant purement biophysique, nous pensons qu'il est possible que les effets de ces variations se retrouvent dans d'autres mécanismes biologiques, et même dans d'autre organismes tels quel les cellules mammifères, les bactéries ou les cellules végétales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)