Au début du XIXe siècle, la nature de l’électricité restait un mystère pour les scientifiques. Des expériences de l’époque ont montré qu’une étincelle pouvait faire trembler les muscles des grenouilles mortes ou même provoquer des convulsions de cadavres humains — un fourrage surnaturel qui a peut-être inspiré le célèbre roman de Mary Shelley, Frankenstein. Plus de 200 ans plus tard, toutes les façons dont l’électricité agit dans le corps humain ne sont toujours pas complètement comprises. Il est clair, cependant, que les signaux électriques jouent un rôle majeur dans le développement précoce du corps.
Des scientifiques comme Michael Levin de l’Université Tufts ont découvert que les charges cellulaires contrôlent comment et où une structure se forme dans un embryon en développement. Encore plus surprenant, il a découvert qu’il était possible de manipuler des formes corporelles simplement en changeant les modèles de tension de ses cellules.
En utilisant cette technique de base, Levin et ses collègues ont réussi à faire pousser des troisièmes yeux fonctionnels sur le dos des têtards. Ils ont déclenché des lésions cérébrales chez les embryons de grenouilles en bloquant la formation de structures neuronales clés, puis en inversant les dommages en modifiant la charge électrique des cellules cérébrales en développement. Bien que ce travail soit encore profondément expérimental, Levin pense qu’il pourrait avoir un impact majeur sur les domaines de la médecine, de la biologie et de la biochimie. Il imagine un jour utiliser la bioélectricité pour inverser les malformations congénitales dans l’utérus, traiter le cancer ou même faire pousser de nouveaux membres sur des amputés.
Levin, directeur de l’Allen Discovery Center à Tufts et coauteur d’un article dans la Revue annuelle 2017 du génie biomédical sur le sujet, a récemment parlé avec le magazine Knowable de l’état de la recherche bioélectrique et de ses réflexions sur ses perspectives d’avenir. Cette conversation a été modifiée pour plus de longueur et de clarté.
Dans le contexte de la biologie, que signifie réellement un « signal électrique » ?
Eh bien, dans la membrane qui entoure chaque cellule, il y a des protéines intégrées qui peuvent déplacer des ions – des atomes chargés – dans et hors de la cellule. Des choses comme le potassium, le chlorure, le sodium, les protons, etc. Et inévitablement, si vous ajoutez plus d’ions chargés d’un côté d’une membrane, vous générerez un potentiel électrique à travers cette surface cellulaire. C’est essentiellement ce qui se passe dans une batterie, où un côté de la batterie a une quantité de charge différente de l’autre.
Il s’avère que les cellules peuvent réellement utiliser ces charges pour communiquer. Ces signaux agissent beaucoup plus lentement que les impulsions dont nous avons l’habitude d’entendre parler dans le système nerveux — là, vous parlez d’échelles de temps de millisecondes pour le flux d’informations, mais dans la bioélectricité du développement, vous parlez de minutes, voire d’heures. Mais en fin de compte, le potentiel électrique entre les cellules peut déterminer comment certains tissus ou structures se développent.
Comment ces signaux électriques affectent-ils exactement le développement du corps?
Les signaux bioélectriques servent en quelque sorte de commutateur de régulateur maître de haut niveau. Leur distribution spatiale à travers les tissus et leur intensité indiquent à une région sur un embryon, D’accord, vous allez être un œil, ou vous allez être un cerveau d’une taille particulière, ou vous allez être un membre, ou vous allez du côté gauche du corps, ce genre de chose.
La sphère sur la queue de ce têtard est en fait un œil de grenouille en développement. En exposant le tissu implanté à certains médicaments neurotransmetteurs, les scientifiques ont pu amadouer le tissu nerveux pour qu’il s’en développe. Cela s’est connecté avec succès à la moelle épinière du têtard en développement, envoyant des informations visuelles au cerveau et laissant voir le têtard autrement aveugle.
CRÉDIT: CENTRE DE DÉCOUVERTE ALLEN, UNIVERSITÉ TUFTS
Vous pouvez réellement les voir se former dans des embryons de grenouilles. Par exemple, les colorants électriquement sensibles révèlent un motif que nous appelons le « visage électrique » — des gradients électriques à travers le tissu qui définissent l’endroit où toutes les parties du visage vont se former plus tard. C’est comme un échafaudage subtil pour les principales caractéristiques de l’anatomie, alors que beaucoup de détails locaux semblent être remplis par d’autres processus qui peuvent ou non impliquer la bioélectricité. Si vous modifiez ces signaux électriques dans un embryon en développement, cela peut avoir un effet majeur sur comment et où ses structures se forment.
Pouvez-vous donner un exemple de comment cela fonctionne sur un organe spécifique?
Bien sûr. L’une des choses que nous voulions étudier il y a quelques années est la façon dont les cellules et les tissus transplantés se développeront dans un environnement étranger. Nous avons pris la structure oculaire précoce d’un embryon de grenouille et l’avons implantée sur le dos d’un autre embryon. Nous étions intéressés par deux choses: Premièrement, le destinataire serait-il capable de voir de cet œil implanté sur son dos? Le cerveau est-il suffisamment plastique pour pouvoir réellement en voir? Deuxièmement, nous voulions savoir, que va faire cette structure oculaire sans un cerveau à proximité? Où va-t-il se connecter et que vont faire les neurones?
Ce que nous avons découvert, c’est que lorsque vous implantez cette structure dans le dos d’un têtard en développement, les cellules oculaires forment une rétine et un nerf optique fonctionnels qui serpentent et tentent de se connecter quelque part dans la moelle épinière. Mais si vous abaissez le potentiel électrique des cellules entourant l’implant, la structure de l’œil devient folle et fait émerger un grand nombre de nouveaux nerfs.
Il s’avère que les neurones émergents peuvent lire les signaux électriques du tissu sur lequel ils sont assis. Si les cellules de ce tissu ont un potentiel de repos polarisé – ce qui signifie qu’elles ont accumulé des charges négatives à l’intérieur de chaque cellule — l’œil implanté forme un nerf optique et c’est la fin. Mais s’ils sont dépolarisés, ou ont une charge plus faible, cela donne aux neurones un signal pour envahir de manière très profonde. Nous pensons donc que c’est un exemple de cellules lisant la topographie électrique de leur environnement et prenant des décisions de croissance basées sur ces informations.
Lorsqu’il est coupé en deux, un ver plat peut normalement repousser les parties manquantes de son corps. En manipulant la charge électrique de ses cellules, cependant, les scientifiques peuvent contrôler laquelle de ces parties se régénère. En bloquant l’afflux normal et l’écoulement des ions chargés des cellules du ver plat, ils peuvent créer un état hyperpolarisé des deux côtés du tissu en régénération, ce qui incite le ver à faire pousser deux queues. Ou, ils peuvent créer un état dépolarisé, conduisant à la formation d’une deuxième tête pour remplacer sa queue amputée.
Donc, si vous modifiez les signaux bioélectriques autour de l’implant oculaire, il se développe dans le système nerveux du têtard?
Oui. Non seulement il devient une structure oculaire complète, mais il est également fonctionnel. Si vous retirez les yeux existants du têtard, l’implant permet aux animaux autrement aveugles de voir les couleurs et les formes en mouvement. Dans notre étude, nous avons placé des têtards aveugles dans un plat peu profond au-dessus d’un moniteur LCD et les avons poursuivis avec de petits triangles noirs. Les têtards nageaient constamment en réponse au mouvement des triangles. Nous ne sommes pas en mesure de dire s’ils ont la même acuité visuelle que les têtards normaux, mais ils peuvent certainement voir de ce nouvel œil implanté.
Actif au milieu du XVIIIe siècle, Luigi Galvani a fait des expériences fondamentales sur la façon dont les signaux électriques activaient les muscles du corps — faisant trembler les pattes d’une grenouille morte après les avoir zappées avec des électrodes (illustré) — et a été parmi les premiers scientifiques à découvrir la bioélectricité.
CRÉDIT: LUIGI GALVANI / WIKIMEDIA COMMONS
Comment manipulez-vous l’état électrique de la cellule ou des tissus?
Nous pouvons le faire avec des médicaments qui ciblent les canaux ioniques dans les cellules. En ce moment, quelque chose comme 20 pour cent de tous les médicaments qui existent sont des médicaments à canal ionique, des choses que les gens prennent pour l’épilepsie et d’autres maladies, donc ils ne sont pas difficiles à trouver. Dans notre laboratoire, nous fabriquons spécifiquement des cocktails de médicaments qui ciblent des régions spécifiques du corps. Si vous vouliez cibler la tension de la peau, par exemple, nous pourrions utiliser un médicament qui ouvre ou ferme les canaux ioniques exprimés uniquement dans les cellules de la peau. Vous accordez le cocktail de médicaments pour provoquer différentes réactions dans différentes parties du corps.
Vous avez débuté dans ce domaine en tant qu’informaticien. Voyez-vous des parallèles entre le codage pour un ordinateur et le réglage des signaux électriques dans un contexte biologique?
Absolument. Sur un plan fondamental, je me soucie du traitement de l’information et des algorithmes dans un système. Peu importe que ce système soit fait de silicium ou de cellules vivantes. À mon avis, je suis un informaticien, mais j’étudie le calcul et le traitement de l’information dans les médias vivants.
Les gens qui ont une formation en informatique comprennent que ce qui est fondamental dans les sciences de l’information n’est pas l’ordinateur lui—même – c’est la façon dont il effectue les calculs. De nombreuses architectures différentes et des types de processus très distincts peuvent être utilisés pour effectuer un calcul. Les gens ont fabriqué des ordinateurs à partir de liquides étranges, de moisissures, même de fourmis. Je pense donc que l’une des choses les plus importantes que l’informatique pourrait enseigner dans le domaine de la biologie est cette distinction entre logiciel et matériel.
Dany Adams, collègue de Michael Levin, qui a découvert ce qu’on appelle le visage électrique, a créé cette vidéo en accéléré qui révèle comment les signaux bioélectriques aident à diriger la construction des traits du visage dans le développement d’embryons de grenouilles (Xenopus laevis). En utilisant des colorants fluorescents qui marquent le potentiel électrique, les cellules brillantes sont hyperpolarisées (plus chargées négativement) que leurs voisines plus faibles.
En biologie et en chimie, le « matériel » d’un corps — les cellules et les molécules qui s’y trouvent — est tout. Mais nous devons comprendre que ces types spéciaux de matériel peuvent en fait exécuter de nombreux types de logiciels différents.
Qu’entendez-vous par » logiciel » au sens biologique ?
Le « logiciel » dans ce cas est la décision de la façon dont les cellules coopèrent pour fabriquer une certaine structure ou un certain tissu. Cela peut être changé. Vous pouvez prendre des vers plats avec une tête et, en modifiant brièvement les signaux électriques dans leurs cellules, les amener à se souvenir d’un nouveau modèle à deux têtes. Malgré le fait que vous ayez les mêmes cellules de ver, vous obtenez un résultat différent. Et ce genre de distinction entre logiciel et matériel sera vraiment crucial alors que nous aborderons de grands problèmes de médecine régénérative et de biologie synthétique à l’avenir.
Quelles applications cela pourrait-il avoir dans le monde médical ?
J’y pense beaucoup. Les plus évidents sont des choses comme la réparation des malformations congénitales. Si nous pouvons comprendre et manipuler la signalisation bioélectrique, nous pourrions potentiellement réparer les choses qui tournent mal à mesure qu’un embryon se forme. C’en est un. Nous avons en fait induit des anomalies congénitales sur des embryons animaux en laboratoire — et les avons réparées – en modifiant le potentiel électrique de certaines cellules.
Un autre combat contre le cancer. Il y a une bonne quantité de recherches en cours sur les signaux bioélectriques à la fois comme cause et comme suppresseur potentiel des cellules cancéreuses. Vous pouvez normaliser certaines tumeurs en les exposant à des médicaments spécifiques qui modifient leur potentiel électrique. Selon les composés que vous utilisez, vous ne pouvez affecter sélectivement que certains types de cellules, comme celles d’une tumeur, tout en laissant le tissu environnant intact. C’est à peu près prêt pour les tests dans les modèles de souris.
Un troisième domaine est la médecine régénérative. Si nous pouvons utiliser la signalisation électrique pour convaincre les tissus et les organes de se développer après une blessure, nous pourrions remplacer des structures ou des organes entiers pour les patients. La bioélectricité vous offre un nouvel ensemble de boutons de commande permettant de réguler le comportement des cellules. Il sera beaucoup plus facile de construire des structures biologiques adaptées une fois que nous aurons compris ces régulateurs à grande échelle comme la signalisation électrique.
Note de la rédaction: Cet article a été mis à jour le 8/10/18 pour noter le rôle de Levin en tant que directeur de l’Allen Discovery Center à Tufts et pour corriger une faute de frappe dans la description des ions dans la cellule. La description de la façon dont les têtards nageaient en réponse à des triangles noirs sur un écran LCD a également été clarifiée.