La croissance des cellules et des assemblées cellulaires se fait souvent sous contraintes mécaniques et sous limitations nutritives. Dans un canal microfluidique, des levures s'accumulent et forment un bouchon, un milieu poreux confiné, traversé par un milieu de culture. Nous avons utilisé ce système pour étudier la réponse de cette assemblée de levures S. cerevisiae, dont les propriétés mécaniques et biologiques sont connues, à des contraintes mécaniques et à une limitation nutritive.
Les expériences de croissance du bouchon à pression constante montrent deux régimes de croissance, exponentiel puis linéaire. Dans le régime exponentiel, l'ensemble du bouchon consomme suffisamment de nutriments pour croître et augmenter la taille de l'assemblée. Le régime linéaire est attribué à une hétérogénéité de concentration en nutriments : une partie des cellules du bouchon peut croître, l'autre non. Un modèle d'advection-réaction du bouchon reproduit qualitativement ces comportements. La perméabilité des bouchons proliférants diminue, alors que celle des bouchons non proliférants reste constante. Cette différence est associée à l'augmentation de la densité cellulaire du bouchon, les nouvelles cellules comblant les pores.
D'autres expériences, où la pression appliquée varie par cycles de compression et de décompression, montrent que la réponse du bouchon dépend de sa longueur : dans les bouchons longs, une partie proche du pore reste immobile pendant la compression. À haute pression, les déplacements s'arrêtent puis reprennent, et le déplacement manquant est restitué après la décompression. Deux interprétations sont possibles : un frottement pariétal qui agit comme un seuil et retient le volume produit, ou un arrêt temporaire de la production de volume cellulaire, sans arrêt de la production de biomasse.
Ces résultats montrent que la croissance d'une assemblée confinée dépend à la fois du transport des nutriments par l'écoulement et des interactions mécaniques avec son confinement. |
Cells and cell assemblies often grow under mechanical stress and nutrient limitation. In a microfluidic channel, yeast cells accumulate and form a clog, a confined porous medium through which a culture medium flows. We used this system to study the response of this assembly of S. cerevisiae yeast cells, whose mechanical and biological properties are known, to mechanical stress and nutrient limitation.
Clog growth experiments at constant pressure show two growth regimes, first exponential, then linear. In the exponential regime, the whole clog consumes enough nutrients to grow and increase the size of the assembly. The linear regime is attributed to a heterogeneous nutrient concentration: some of the cells in the clog can grow, while the others cannot. An advection–reaction model of the clog qualitatively reproduces these behaviors. The permeability of proliferating clogs decreases, whereas that of non-proliferating clogs remains constant. This difference is associated with the increase in cell density within the clog, as new cells fill the pores.
Further experiments, in which the applied pressure is varied through compression–decompression cycles, show that the response of the clog depends on its length: in long clogs, a region close to the pore remains immobile during compression. At high pressure, displacements stop and then resume, and the missing displacement is recovered after decompression. Two interpretations are possible: wall friction acting as a threshold that holds back the volume produced, or a temporary arrest of cell volume production without any arrest of biomass production.
These results show that the growth of a confined assembly depends both on nutrient transport by the flow and on mechanical interactions with its confinement. |