Des faisceaux de mitochondries (jaunes) à l'intérieur des cônes de photorécepteurs gopher jouent un rôle inattendu dans la focalisation plus précise de la lumière diffuse (lueur d'en bas) (faisceau bleu).Ce comportement optique peut améliorer la vision en rendant les pigments des cellules coniques plus efficaces pour capter la lumière.
Un moustique vous observe à travers un réseau de microlentilles.Vous tournez la tête, tenez la tapette à mouches dans votre main et regardez le vampire avec votre humble œil à lentille unique.Mais il s'avère que vous pouvez vous voir – et voir le monde – plus que vous ne le pensez.
Une étude publiée le mois dernier dans la revue Science Advances a révélé qu'à l'intérieur de l'œil des mammifères, les mitochondries, organites nourrissant les cellules, peuvent jouer un deuxième rôle de microlentille, aidant à concentrer la lumière sur les photopigments, ces pigments convertissent la lumière en signaux nerveux pour que le cerveau puisse interpréter.Les résultats montrent des similitudes frappantes entre les yeux des mammifères et les yeux composés des insectes et autres arthropodes, suggérant que nos propres yeux ont une complexité optique latente et que l'évolution a fait d'une partie très ancienne de notre anatomie cellulaire une découverte pour de nouvelles utilisations.
La lentille à l'avant de l'œil concentre la lumière de l'environnement sur une fine couche de tissu à l'arrière, appelée rétine.Là, les cellules photoréceptrices - les cônes qui colorent notre monde et les bâtonnets qui nous aident à naviguer dans des conditions de faible luminosité - absorbent la lumière et la convertissent en signaux neuronaux qui vont au cerveau.Mais les photopigments sont situés tout à la fin des photorécepteurs, juste derrière l'épais faisceau mitochondrial.L'étrange disposition de ce faisceau transforme les mitochondries en obstacles de diffusion de la lumière apparemment inutiles.
Les mitochondries sont la «dernière barrière» aux particules lumineuses, a déclaré Wei Li, chercheur principal au National Eye Institute et auteur principal de l'article.Pendant de nombreuses années, les scientifiques de la vision n'ont pas pu comprendre cet étrange arrangement de ces organites - après tout, les mitochondries de la plupart des cellules s'accrochent à leur organite central - le noyau.
Certains scientifiques ont suggéré que ces faisceaux pourraient avoir évolué non loin de l'endroit où les signaux lumineux sont convertis en signaux neuronaux, un processus énergivore qui permet de pomper facilement et de délivrer rapidement l'énergie.Mais ensuite, la recherche a commencé à montrer que les photorécepteurs n'ont pas besoin d'autant de mitochondries pour produire de l'énergie. Au lieu de cela, ils peuvent obtenir plus d'énergie dans un processus appelé glycolyse, qui se produit dans le cytoplasme gélatineux de la cellule.
Lee et son équipe ont découvert le rôle de ces voies mitochondriales en analysant les cellules coniques d'un gopher, un petit mammifère qui a une excellente vision diurne mais qui est en fait aveugle la nuit car ses photorécepteurs coniques sont disproportionnellement grands.
Après que des simulations informatiques aient montré que les faisceaux mitochondriaux pouvaient avoir des propriétés optiques, Lee et son équipe ont commencé des expériences sur des objets réels.Ils ont utilisé de minces échantillons de rétines d'écureuil, et la plupart des cellules ont été retirées à l'exception de quelques cônes, de sorte qu'ils "ont juste un sac de mitochondries" soigneusement emballés à l'intérieur d'une membrane, a déclaré Lee.
En éclairant cet échantillon et en l'examinant soigneusement sous un microscope confocal spécial conçu par John Ball, un scientifique du laboratoire de Lee et auteur principal de l'étude, nous avons trouvé un résultat inattendu.La lumière traversant le faisceau mitochondrial apparaît comme un faisceau lumineux et fortement focalisé.Les chercheurs ont pris des photos et des vidéos de la lumière pénétrant dans l'obscurité à travers ces microlentilles, où les photopigments attendent chez les animaux vivants.
Le faisceau mitochondrial joue un rôle clé, non pas en tant qu'obstacle, mais en fournissant autant de lumière que possible aux photorécepteurs avec une perte minimale, explique Li.
À l'aide de simulations, lui et ses collègues ont confirmé que l'effet de lentille est principalement causé par le faisceau mitochondrial lui-même, et non par la membrane qui l'entoure (bien que la membrane joue un rôle).Une bizarrerie de l'histoire naturelle du gopher les a également aidés à démontrer que la forme du faisceau mitochondrial est essentielle à sa capacité à se concentrer : pendant les mois où le gopher hiberne, ses faisceaux mitochondriaux se désordonnent et rétrécissent.Lorsque les chercheurs ont modélisé ce qui se passe lorsque la lumière traverse le faisceau mitochondrial d'un écureuil terrestre endormi, ils ont découvert qu'il ne concentre pas autant la lumière que lorsqu'il est étiré et hautement ordonné.
Dans le passé, d'autres scientifiques ont suggéré que les faisceaux mitochondriaux pourraient aider à collecter la lumière dans la rétine, note Janet Sparrow, professeur d'ophtalmologie au Columbia University Medical Center.Cependant, l'idée semblait étrange : « Certaines personnes comme moi ont ri et ont dit : 'Allez, avez-vous vraiment autant de mitochondries pour guider la lumière ?'- dit-elle."C'est vraiment un document qui le prouve - et c'est très bien."
Lee et ses collègues pensent que ce qu'ils ont observé chez les spermophiles pourrait également se produire chez les humains et d'autres primates, qui ont une structure pyramidale très similaire.Ils pensent que cela pourrait même expliquer un phénomène décrit pour la première fois en 1933 appelé l'effet Stiles-Crawford, dans lequel la lumière passant par le centre même de la pupille est considérée comme plus brillante que la lumière passant à un angle.Parce que la lumière centrale peut être plus concentrée sur le faisceau mitochondrial, les chercheurs pensent qu'elle pourrait être mieux concentrée sur le pigment du cône.Ils suggèrent que la mesure de l'effet Stiles-Crawford pourrait aider à la détection précoce des maladies rétiniennes, dont beaucoup entraînent des dommages et des modifications mitochondriales.L'équipe de Lee voulait analyser comment les mitochondries malades concentrent différemment la lumière.
C'est un "beau modèle expérimental" et une toute nouvelle découverte, a déclaré Yirong Peng, professeur adjoint d'ophtalmologie à l'UCLA qui n'a pas participé à l'étude.Il sera intéressant de voir si ces faisceaux mitochondriaux peuvent également fonctionner à l'intérieur des tiges pour améliorer la vision nocturne, a ajouté Peng.
Au moins dans les cônes, ces mitochondries auraient pu évoluer en microlentilles car leurs membranes sont constituées de lipides qui réfractent naturellement la lumière, a déclaré Lee."C'est tout simplement le meilleur matériau pour la fonctionnalité."
Les lipides semblent aussi trouver cette fonction ailleurs dans la nature.Chez les oiseaux et les reptiles, des structures appelées gouttelettes d'huile se sont développées dans la rétine qui servent de filtres de couleur, mais on pense également qu'elles fonctionnent comme des microlentilles, telles que des faisceaux mitochondriaux.Dans un grand cas d'évolution convergente, des oiseaux tournant au-dessus de leur tête, des moustiques bourdonnant autour de leur ravissante proie humaine, vous lisez ceci avec des caractéristiques optiques appropriées qui ont évolué indépendamment - des adaptations qui attirent les téléspectateurs.Voici venir un monde clair et lumineux.
Note de la rédaction : Yirong Peng a reçu le soutien de la bourse Klingenstein-Simons, un projet soutenu en partie par la Fondation Simons, qui finance également ce magazine édité de manière indépendante.La décision de financement de la Fondation Simmons n'affecte pas nos rapports.
Correction : 6 avril 2022 Le titre de l'image principale identifiait initialement à tort la couleur des faisceaux mitochondriaux comme violet au lieu de jaune.La coloration violette est associée à la membrane entourant le faisceau.
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Heure de publication : 22 août 2022
