Les chercheurs simulent le mouvement des organismes unicellulaires

Une équipe de recherche à la TU Wien (Vienne) a réussi à simuler le processus de mouvement des organismes unicellulaires dans une direction souhaitée, malgré l’absence de cerveau ou de système nerveux. Avant les nouveaux développements, les chercheurs ne savaient pas comment ces petits organismes étaient capables d’un tel processus.

L’équipe a calculé l’interaction physique entre un organisme modèle simple et son environnement, ce dernier étant un liquide avec une composition chimique non uniforme contenant des sources de nourriture réparties de manière inégale.

La recherche a été publiée dans la revue PNAS.

L’organisme simulé

Les chercheurs ont équipé l’organisme simulé de la capacité à traiter des données sur sa nourriture et son environnement. En s’appuyant sur un algorithme d’apprentissage automatique, le traitement de l’information pouvait être modifié et optimisé en étapes évolutives. Cela signifie que les chercheurs ont développé un organisme informatique capable de se déplacer et de rechercher de la nourriture de manière similaire aux organismes réels.

Andreas Zöttl a dirigé le projet de recherche à l’Institut de physique théorique de la TU Wien.

« À première vue, il est surprenant qu’un modèle aussi simple puisse résoudre une tâche aussi difficile », déclare Zöttl. « Les bactéries peuvent utiliser des récepteurs pour déterminer dans quelle direction, par exemple, la concentration d’oxygène ou de nutriments augmente, et cette information déclenche alors un mouvement dans la direction souhaitée. Cela s’appelle la chimiotaxie. »

Alors que les organismes multicellulaires ont une interconnexion de cellules nerveuses, les organismes unicellulaires n’ont pas de cellules nerveuses. En raison de cela, ils ne peuvent subir que des étapes de traitement simples à l’intérieur de la cellule.

“Pour pouvoir expliquer cela, vous avez besoin d’un modèle physique réaliste pour le mouvement de ces organismes unicellulaires “, déclare Zöttl. ” Nous avons choisi le modèle le plus simple qui permet physiquement un mouvement indépendant dans un fluide en premier lieu. Notre organisme unicellulaire se compose de trois masses connectées par des muscles simplifiés. La question qui se pose maintenant est : ces muscles peuvent-ils être coordonnés de telle sorte que l’ensemble de l’organisme se déplace dans la direction souhaitée ? Et surtout : ce processus peut-il être réalisé de manière simple, ou nécessite-t-il un contrôle compliqué ? “

Mise en œuvre du modèle informatique

Benedikt Hartl a mis en œuvre le modèle sur ordinateur.

” Même si l’organisme unicellulaire n’a pas de réseau de cellules nerveuses — les étapes logiques qui relient ses ‘impressions sensorielles’ à son mouvement peuvent être décrites mathématiquement de manière similaire à un réseau neuronal “, déclare Hartl.

Les organismes unicellulaires ont des connexions logiques entre les différents éléments de la cellule, et le mouvement se produit lorsque des signaux chimiques sont déclenchés.

Maximilian Hübl a effectué plusieurs des calculs dans la recherche.

“ Ces éléments et la façon dont ils influencent les uns les autres ont été simulés sur ordinateur et ajustés avec un algorithme génétique : génération après génération, la stratégie de mouvement des organismes unicellulaires virtuels a été modifiée légèrement “, rapporte Hübl.

Lorsque les organismes unicellulaires ont réussi à diriger leur mouvement vers les produits chimiques souhaités, ils ont été autorisés à “se reproduire”, tandis que ceux qui n’ont pas “disparu”. Après avoir traversé de nombreuses générations, une sorte d’évolution a eu lieu et un réseau de contrôle est apparu. Ce réseau a permis à un organisme unicellulaire virtuel de convertir des perceptions chimiques en mouvement ciblé, et ce de manière simple et avec des circuits de base.

” Vous ne devriez pas penser à cela comme à un animal hautement développé qui perçoit consciemment quelque chose et puis court vers cela “, déclare Zöttl. ” C’est plus comme un mouvement de balancement aléatoire. Mais un qui mène finalement dans la bonne direction en moyenne. Et c’est exactement ce que l’on observe avec les organismes unicellulaires dans la nature. “