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Biologie

Le système nerveux peut transmettre des souvenirs aux futures générations, selon une étude de l'Université de Tel-Aviv

Selon une étude réalisée dans le laboratoire du Prof. Oded Rechavi de l'École de neurobiologie, biochimie et biophysique et de l'Ecole des neurosciences de l'Université de Tel-Aviv, par les doctorants Rachel Posner et Itai Toker, les souvenirs enregistrés par les cellules nerveuses peuvent être transmis aux générations suivantes par des molécules de transport du matériel héréditaire de type "petits ARN", sans passer par l'ADN. Selon les chercheurs, l'étude constitue un pas important dans le déchiffrement des mécanismes de l'épigénétique, transmission héréditaires de caractéristiques acquises qui ne sont pas codées dans notre ADN.

Rechavi toker posnerElle a été publiée jeudi dernier dans la prestigieuse revue Cell.

"Les caractéristiques acquises au cours de la vie peuvent-elles être héritées par les prochaines générations ? C'est une question controversée depuis près de 200 ans parmi les scientifiques", explique le Prof. Rechavi. "À ce jour, l'un des organismes les plus couramment utilisé pour les études sur ce sujet est un minuscule ver transparent appelé C. elegans. Pas moins de six prix Nobel ont été attribués pour des études sur ce ver depuis l'année 2000".

L'hérédité ne passe pas seulement par le biais de l'ADN

Lors de précédentes études, le Prof. Rechavi et son équipe ont découvert que ces vers étaient capables de transmettre à leur progéniture, sur plusieurs générations, au moins deux traits acquis au cours de leur vie: la résistance aux virus et la mémoire de la famine. Cela signifie que, contrairement à la conception qui domine depuis des décennies, l’hérédité ne passe pas seulement par le biais de l’ADN, mais aussi par d’autres mécanismes génétiques capables de transférer à la progéniture des traits acquis au cours de la vie.

"Nous avons constaté que la résistance aux virus et la mémoire de l'état nutritionnel des parents sont transmises à la descendance par le biais de l'ARN, ou plutôt par de petites molécules d'ARN capables de migrer et de transférer des informations héréditaires de cellule en cellule", déclare le Prof. Rechavi. "Le rôle de ces molécules est de faire s'exprimer les gènes de l'ADN correctement et au bon endroit du corps. Grâce à elles par exemple, bien que le code de l'ADN soit identique dans toutes les cellules, l’œil possède des gènes visuels et le genou d'autres gènes qui sont responsables de son fonctionnement spécifique".

Dans cette étude, les chercheurs ont cherché à déterminer si la mémoire encodée tout au long de la vie dans les neurones du cerveau pouvait être transmise aux générations futures à l'aide de ces petites molécules d'ARN. À cette fin, ils ont créé des vers qui ne produisaient pas un certain type d’ARN appelés endo-siRNA, cette déficience les rendant incapables, entre autres, de trouver leur nourriture en se servant de leur odorat. Ils ont ensuite rendu au seul système nerveux de ces vers la faculté de produire ces endo-siARN, et les vers ont effectivement récupéré leur capacité de localiser de la nourriture. Les chercheurs ont également constaté que les molécules d'endo-siARN produits dans les cellules nerveuses atteignaient aussi d'autres tissus du corps chez le ver et y affectaient également l'expression génique.

"Le petit pois de l'hérédité épigénétique"

Restait à vérifier si les molécules d'endo-ARNs produites par le système nerveux de ces vers, était capables de passer vers les cellules sexuelles, et de là aux générations futures? La réponse fournie par l'étude a été positive, explique le Prof. Rechavi :"La progéniture de ces vers, dont l’ADN ne produisait pas cette molécule, a hérité cette caractéristique de leurs parents par hérédité et a su identifier les aliments par leur odeur et s’en rapprocher".

"L'hérédité qui ne passe pas par les changements de séquences de l'ADN s'appelle l'épigénétique, domaine qui prend une grande ampleur dans la recherche ces dernières années", ajoute le Prof. Rechavi. "Dans notre étude nous avons franchi un nouveau pas important vers une compréhension approfondie des processus et des mécanismes de cette forme d'hérédité. Nous ne savons pas encore si le processus que nous avons découvert se produit également chez l'homme, mais si c'était le cas, toutes nos découvertes pourraient avoir des implications de grande portée. Il y a plus de cent ans, les scientifiques ont découvert le fonctionnement de l'hérédité génétique par l'ADN grâce à une étude sur les petits pois et sur les mouches. Nous espérons que le ver sur lequel nous travaillons sera le petit pois de l'hérédité épigénétique".

 

Sur la photo, de droite à gauche: le Prof. Oded Rachavi, Itai Toker et Rachel Posner (Crédit: autorisation de l'Université de Tel-Aviv)

 

Les recherches du Prof. Oded Rechavi sont subventionnées par la Fondation ADELIS.

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Percée mondiale: des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv ont imprimé un cœur vivant sur une imprimante 3D à partir de cellules humaines

Les chercheurs du laboratoire du Prof. Tal Dvir de l'Université de Tel-Aviv ont réussi, pour la première fois au monde, à résoudre un défi majeur de la médecine moderne: utiliser une imprimante 3D pour imprimer un cœur vivant à partir de tissus prélevés sur un patient. D’après eux, la méthode ouvre la voie à la médecine du futur, et dans dix ans il sera possible d’imprimer pour chaque patient l’organe dont il a besoin à partir de tissus prélevés sur son corps, et il ne sera plus nécessaire d'attendre les greffes d'organes avec leurs risques de rejet.
Ces travaux novateurs ont été réalisés par le doctorant Nadav Nur et le Dr. Assaf Shapira dans le laboratoire du Prof. Dvir, affilié à trois unités de recherche de l'Université de Tel-Aviv : l'Ecole de biologie cellulaire moléculaire et de biotechnologie de la Faculté des sciences de la vie, le Département de génie des matériaux de la Faculté d'ingénierie et le Centre de recherche pour la biotechnologie régénérative.

Coeur2Ils ont été publiés aujourd'hui lundi 15.4.19 dans la revue Advanced Science.

« Depuis l'invention de la technologie d'impression tridimensionnelle, les chercheurs du monde entier tentent de l’utiliser pour imprimer, entre autres, des tissus et des organes destinés à la transplantation », explique le Prof. Dvir. « Nous avons développé une nouvelle technologie qui résout un bon nombre des difficultés rencontrées en cours de route ».

Pour réaliser cette étude, les chercheurs ont utilisé des tissus adipeux prélevés sur un patient et y ont séparé les cellules graisseuses du collagène extracellulaire qui soutient le tissu. Puis, par un processus avancé d’ingénierie génétique, ils ont transformé ces cellules en cellules souches, à partir desquelles ils ont fabriqué des cellules du muscle cardiaque (myocarde) et des cellules vasculaires. En parallèle, ils ont créé à partir du collagène une sorte ‘d’encre’ pour permettre l’impression. Ensuite, ils ont mélangé tous ces matériaux et alimenté avec ce mélange une imprimante en 3D, qui a imprimé conformément aux instructions de l'ordinateur, en fonction des images d'un cœur humain obtenues par IRM et par tomographie.

Un coeur de n'importe quelle taille, sans réaction immunitaire

tal dvirLe cœur ainsi imprimé est constitué de très jeunes cellules, qui sont déjà capables de se contracter et présentent les propriétés des cellules cardiaques. Les chercheurs travaillent à présent à la maturation de ce cœur dans un environnement spécifique (bio-réacteur) jusqu'à ce que les cellules deviennent adultes, capables de communiquer entre elles par des signaux électriques et de fonctionner avec une efficacité maximale. Les chercheurs espèrent qu'au cours de l'année à venir, des cœurs imprimés de ce type seront implantés chez les animaux afin d’en tester le fonctionnement.

« La méthode que nous avons développée nous permet d'imprimer un cœur de n'importe quelle taille. De plus, dans la mesure où ce cœur imprimé est produit à partir des propres tissus du patient, son système immunitaire ne le rejettera pas, comme cela arrive fréquemment pour les greffes d’organes actuelles », conclut le Prof. Dvir. « Enfin, cette méthode convient en fait pour tous les organes susceptibles d’être greffés, et nous pensons qu'elle ouvre la voie à des technologies futures qui permettront de remplacer totalement les dons d'organes. Lorsqu'un patient aura besoin d'une transplantation, on prélèvera des tissus sur son corps, à partir desquels on pourra imprimer un organe personnalisé, adapté au patient par sa taille et ses caractéristiques et qui pourra être implanté dans son organisme ».

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La générosité est une question de bactéries, d'après des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv

Pourquoi sommes-nous généreux les uns envers les autres, ou tout simplement portés vers autrui ? D'après une étude du doctorant Ohad Lewin-Epstein et du Dr. Ranit Aharonov sous la direction du Prof. Lilach Hadany du Département de biologie moléculaire et d'écologie des plantes de l'Université de Tel-Aviv, les bactéries de notre flore intestinale ont un rôle important dans nos comportements altruistes.

SingesDans le laboratoire du Prof. Lilach Hadany, on tente de résoudre des problèmes classiques de l'évolution biologique à l'aide de modèles mathématiques. Ainsi la chercheuse essaie-t-elle de débrouiller l'énigme de l'altruisme en introduisant dans son analyse un facteur entièrement nouveau et original: le microbiome, ou ensemble des bactéries qui se sont adaptées à notre organisme, et vivent littéralement dans notre corps, que ce soit dans nos intestins, notre système urinaire, ou notre épiderme.

La survie des bactéries

" Nous connaissons depuis de nombreuses années l'existence de ces bactéries, dont le nombre est égal à celui des cellules de notre corps, et même le dépasse", explique-t-elle. "Nous disposons également de nombreuses informations sur leur capacité à influencer le comportement de leur 'hôte', c'est-à-dire de l'être vivant qui les véhicule dans son corps. Nous avons donc pensé qu'elles peuvent également jouer un rôle dans son évolution. Aussi nous sommes-nous demandé si ces microbes pourraient avoir un intérêt à que leur hôte puisse en aider un autre et collaborer avec lui".

Quel genre d'intérêt? La survie, bien sûr. "Les bactéries microbiennes se propagent de deux manières: premièrement, par héritage 'vertical', de génération en génération, lorsque leur hôte met au monde des descendant et leur " lègue" ses microbes. Deuxièmement, lorsqu'un être vivant en aide un autre, le nourrit, le garde, le nettoie ou l'étreint, le contact et le frottement permettent aux bactéries de "sauter" d'un hôte à l'autre, propageant ainsi leurs gènes par "héritage horizontal", entre amis. Nous suggérons que les bactéries intestinales manipulent leur hôte pour qu’ils se comportent de manière altruiste et aident les autres, afin de pouvoir les infecter et profiter des avantages que les autres ont gagné".

Lilach HadanyLe Prof. Hadany n'explique bien sûr pas l'existence de l'altruisme dans la nature par la seule activité microbienne: "Je veux dire qu'un modèle qui prend également en compte l'effet microbien peut donner une image plus complète de la tendance d'un être vivant à aider les autres. Le cas le plus clair est bien sûr celui des les parents qui s'occupent de leur progéniture, en raison de la proximité génétique: chaque enfant porte la moitié des gènes de chacun de ses parents, et l'intérêt de ceux-ci sur le plan génétique est donc de prendre soin de sa progéniture voire même de prendre des risques pour elle, afin que les gènes communs soient transmis aux générations futures. Mais si l'on prend également en compte le système microbien, il semble que l'intérêt des soins à la progéniture soit encore plus grand. En effet, s'ils contribuent à la survie de 50% des gènes parentaux, ils permettent le transfert de 100% du génome du système microbien. Ainsi le parent qui s’occupe de sa progéniture cultive ses gènes, mais aussi ceux de son système microbien. Il est donc avantageux pour les microbes qu'il continue à investir dans sa progéniture".

Le long de l'axe 'intestin-cerveau'

Comment le modèle mathématique mis au point dans le laboratoire du Prof. Hadany permet-il de mesurer une telle réalité biologique ? "En fait, ce processus peut prendre des millions d'années", explique-t-elle. "Le modèle mathématique nous permet de calculer la faisabilité de telles occurrences. Avec son aide, nous avons créé deux groupes microbiens virtuels, l’un encourageant l’altruisme de son hôte et l’autre non. Au cours des générations (virtuelles), les bactéries qui ont favorisé l’altruisme de leur hôte ont mieux réussi que celles qui ne l'ont pas fait, de sorte que l'altruisme est devenu un élément stable de cette population. En principe, on peut dire qu'un être vivant altruiste perd de ses compétences et augmente celles de son voisin, qui, lui, peut ne pas être altruiste. Mais ses bactéries au contraire y gagnent, car en raison de l'interaction elles réussissent à se propager sur un autre être vivant".

Mais comment des bactéries qui se trouvent dans l'intestin peuvent donc affecter le comportement d'un être vivant, c'est-à-dire agir sur son cerveau ? "Il existe de nombreux parasites qui transforment le comportement de l'animal qui le porte et le manipule à son avantage. L’exemple le plus courant est le virus de la rage, qui pénètre le corps après une morsure, atteint le cerveau de l’animal infecté et l’affecte de sorte qu'il éprouve le besoin de mordre les autres. Le virus oriente son hôte pour qu'il le transmette vers un autre hôte. Autre exemple : le parasite de la toxoplasmose qui vit chez la souris mais se multiplie chez les chats. Lorsqu'il pénètre la souris, il agit sur son cerveau de telle sorte qu'elle soit attirée par l'odeur de l'urine des chats. En fait, le parasite pousse la souris directement dans les mâchoires de son prédateur, comportement qui lui coûte la vie, mais sert le parasite".

Une unité évolutionnelle

Selon le Prof. Hadany, la propagation se fait par le biais de substances (qui peuvent être des neurotransmetteurs tels que la sérotonine et la dopamine, ou des hormones, etc.) secrétées par les bactéries dans l'intestin de leur hôte, qui atteignent son cerveau par l'intermédiaire du nerf vague ou pneumogastrique, selon un trajet appelé 'axe intestin-cerveau'. Pour elle : "Le fait que des substances produites par les bactéries puissent affecter le cerveau des animaux et des humains découle de la similitude fondamentale de tous les organismes vivants, tous basés sur la même génétique et la même biochimie. Il peut donc être naturel de voir les bactéries et leur hôte comme une seule et même entité, constituant une unité évolutionnelle".

Bien que le laboratoire du Prof. Hadany soit en principe consacré à la recherche théorique, les chercheurs tentent néanmoins de vérifier leurs hypothèses par une expérience menées sur des fourmis, connues pour leur capacité de collaboration. "Notre hypothèse est que la reine qui nourrit toutes les fourmis leur transfère son système microbien et assure l'unité du génome. Pour voir si le microbiome est impliqué dans le comportement altruiste des fourmis, nous prévoyons de neutraliser leurs bactéries intestinales, par exemple en les nourrissant avec des antibiotiques, puis de voir si même, sans système microbien, elles continueront de s'entraider".

Selon les chercheurs, nos parasites ont donc tout simplement intérêt à nous encourager à être sociables et à entrer en interaction les uns avec les autres : manger ensemble, dormir ensemble, s'embrasser…Conclusion: nous sommes non seulement orientés par nos gênes, mais par ceux de nos bactéries ! "Quand j'ai envie de quelque chose de sucré, ou d'une caresse, je me surprends à me demander si c'est moi qui le veut ou ma microbiologie", dit-elle avec humour. D'un autre côté poursuit-elle, peut-être sera-t-il possible un jour de fabriquer de petits de bonbons à partir de variétés de microbes amicaux qui encouragent la coopération...

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Les fleurs peuvent entendre les insectes, d'après une étude de l'Université de Tel-Aviv

Selon une étude réalisée par le Prof. Lilach Hadany et le Dr. Yuval Sapir du Département de biologie moléculaire et d'écologie des plantes de l'Université de Tel-Aviv, en collaboration avec le Dr. Yossi Yovel du Département de zoologie, la concentration en sucre du nectar des fleurs d'onagre augmente presque instantanément lorsqu'elles sont exposées au bruit des ailes des papillons et des abeilles. Selon les chercheurs, cette découverte pourrait avoir un impact important sur la compréhension de l'évolution des fleurs et des insectes.

Fleur et abeilleA également participé à cette étude le Prof. Danny Chamovitz, ancien Doyen de la Faculté des Sciences de la vie de l'Université de Tel-Aviv et actuel Président de l'Université Ben-Gourion du Néguev.

Les plantes sont beaucoup moins passives qu'on ne pourrait le penser et elles se relient à leur environnement de différentes manières. Des études récentes ont montré comment elles réagissent à la lumière (sens de la vue), à la stimulation mécanique (sens du toucher) et à certains produits chimiques qui s'évaporent dans l'air (sens de "l'odorat"). Un petit nombre d'études ont même examiné la réaction des plantes aux sons, l'un des modes de communication les plus courants du règne animal, mais mettent l'accent sur leurs effets à long terme sur la croissance des végétaux.

Le bruit produit par les humains peut nuire à la communication entre les fleurs et les abeilles

D'après les chercheurs, la présente étude est la première qui montre la réaction quasi-immédiate des plantes aux sons: "la concentration en sucre du nectar des fleurs d'onagre augmente considérablement et en trois minutes seulement lorsqu'elles sont exposées au bruissement d'ailes des papillons et des abeilles, qui récoltent leurs grains de pollen et les disséminent d'une fleur à l'autre. L'étude dévoile également que la réaction de la plante dépend de la fréquence des sons de bourdonnement. En effet, lorsque les plantes ont été exposées à des bruits d'une fréquence plus forte que celle des pollinisateurs, la concentration en sucre du nectar n’a pas augmenté".

Lilach HadanyPour les chercheurs, cette capacité des plantes à réagir au bruit des insectes pollinisateurs a de nombreux effets: la production de nectar étant énergivore, les plantes sont ainsi capables d'investir leurs ressources avec précision et de se concentrer sur les périodes d'activité des pollinisateurs, laquelle a donc plus de "rendement" pour chaque unité de temps investie dans la fleur. Mais cette découverte pourrait avoir des implications plus vastes, notamment sur l'évolution des plantes et des insectes. Selon les chercheurs, il se peut en effet que le développement de la forme des fleurs soit influencé par des facteurs affectant la capacité auditive de la plante, et pas seulement par sa fonction d'attraction des insectes. Il est de même possible que divers insectes se soit développés de manière à émettre des sons que les fleurs soient capables d'absorber. Enfin, selon eux, les résultats de l'étude : "suggèrent que les plantes peuvent également être affectées par d'autres sons, y compris ceux générés par l'homme". Autrement dit, le bruit produit par les humains peut nuire à la capacité de communication des fleurs et des abeilles.

La vibration des pétales

Selon l'étude, la partie de la plante la plus appropriée à l'absorption des vibrations produites dans l'air par les ailes des insectes pollinisateurs est la fleur elle-même, en particulier celles en forme de coupe. L’hypothèse émise est que certaines parties de la fleur, ou sa totalité, vibrent en réponse aux sons produits par les ailes des insectes : "les sons des pollinisateurs et les sons synthétiques émis à des fréquences similaires provoquent la vibration des pétales, éveillant en réaction une augmentation rapide de la concentration de sucre dans le nectar".

Pour s’assurer du rôle de la fleur dans ce phénomène, les chercheurs ont notamment enveloppé des fleurs d'un verre isolant, puis exposé la plante aux sons des pollinisateurs. Et en effet, dans ce cas, aucune augmentation de la concentration de sucre dans le nectar n'a été constatée.

"La science en sait aujourd'hui beaucoup sur la réaction des pollinisateurs aux signaux à distance que transmettent les plantes ", concluent les chercheurs. "En revanche, la réaction à distance des plantes aux pollinisateurs n'avait jamais été démontrée. Les conséquences sur l'écosystème d'une telle réaction peuvent être considérables, car la pollinisation est essentielle pour l'existence de nombreuses espèces de plantes". Selon eux, d'autres études pourraient également révéler que : "les plantes peuvent entendre et réagir aux herbivores, aux autres animaux, aux facteurs naturels et éventuellement à d'autres plantes".

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Des chercheurs de l'Université de Tel-Aviv développent une matière plastique biodégradable à partir d'algues

Une équipe multidisciplinaire de chercheurs de l'Université de Tel-Aviv, sous la direction du Dr. Alexander Golberg de l'Ecole Porter des études sur l'Environnement et les Sciences de la Terre et du Prof. Michael Gozin de l'Ecole de Chimie est parvenue à produire un biopolymère à partir de microorganismes et d'algues cultivés dans de l'eau de mer. Selon les chercheurs il s'agit d'une avancée majeure qui permettra aux pays pauvres en eau douce, tels qu'Israël, la Chine ou l'Inde, de passer au plastique biodégradable, allégeant ainsi le fardeau que constitue le plastique traditionnel pour l'environnement.

bioplastique2Les résultats de l'étude ont été publiés cette semaine dans la prestigieuse revue Bioresource Technology.

Le plastique, polymère transformé pour l'usage industriel, est l’un des agents les plus polluants au monde. Les matières plastiques mettent des centaines d'années à se décomposer. Les bouteilles, emballages et sacs en plastique créent ainsi de vastes étendues dans les océans, mettant en danger les animaux et polluant l'environnement. En outre, le plastique est produit à partir de produits pétroliers et son traitement industriel libère d'autres polluants chimiques qui en sont les sous-produits.

Produire du bioplastique par un processus respectueux de l'environnement

Le bioplastique fabriqué à partir de biopolymères produits par des êtres vivants, tels que des plantes ou des bactéries, qui ne nécessitent pas de pétrole et se dégradent rapidement, constitue une solution partielle à cette 'épidémie'. Mais les biopolymères ont aussi un prix: pour les produire, il faut cultiver des plantes ou des bactéries, processus qui implique une affectation de sols fertiles et l'utilisation de quantités d’eau douce, et rend difficile le passage aux bioplastiques dans les pays pauvres en eau, comme Israël.

L'étude du Dr. Alexander Golberg et du Prof. Michael Gozin, combinant la bio-ingénierie et la chimie, surmonte cet écueil en produisant des biopolymères à partir de créatures vivant dans l'eau de mer.

Alex Golberg"La matière première que nous avons utilisée est composée d'algues multicellulaires poussant dans la mer", explique le Dr. Golberg. "Elles ont été nourries avec des archées, micro-organismes unicellulaires qui poussent également dans de l'eau très salée, ont fermenté et produit des biopolymères. C'est une avancée majeure. Il existe actuellement des usines qui produisent des bioplastiques en quantités commerciales, mais elles utilisent des plantes qui nécessitent des terres agricoles et de l'eau douce, ou bien des bactéries qui se développent également dans de l'eau douce. Le processus que nous proposons permettra aux pays qui manquent d'eau douce, tels qu'Israël, la Chine et l'Inde, de passer aux plastiques biodégradables.

Selon le Dr. Golberg, cette nouvelle étude pourrait produire une révolution qui permettra d'alléger le fardeau que constitue le plastique pour l'environnement. "Le plastique d'origine fossile est l'un des facteurs les plus polluants des océans. Mais le processus de production de plastiques biodégradables actuellement utilisé nécessite des ressources importantes, qui diminuent également, telles que les terres agricoles et l'eau douce. Un pays comme Israël, grand consommateur de plastiques, mais pauvre en terre cultivable et en eau douce, n'allouera pas de vastes zones ni de l'eau coûteuse pour produire des biopolymères. Au cours de nos recherches, nous avons pu prouver, pour la première fois, qu’il est possible de produire du bioplastique par un processus respectueux de l’environnement et tenant compte des besoins des habitants.

Cette étude novatrice, qui a duré environ un an, a été financée par le Centre de recherche régional du 'Triangle' situé à Kfar Qara, sous les auspices universitaires de l'Université de Tel-Aviv, et a bénéficié du soutien du Ministère de l'Énergie. "Pour le moment, nous essayons de comprendre comment différentes souches de bactéries provoquent une fermentation différente parmi les espèces d'algues diverses ", explique le Dr. Golberg. "Chaque algue produisant un sucre différent, le produit plastique final est également différent. Nous menons donc actuellement des recherches pour trouver les bactéries et algues les plus adaptées à la production de polymères pour fabriquer des plastiques présentant des propriétés différentes."

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