Biologie cellulaire

La biologie cellulaire (anciennement appelée cytologie) est une discipline scientifique qui étudie les cellules, du point de vue structural et fonctionnel, et les utilise pour des applications en biotechnologie.

Détection de filaments d'actine dans des cellules animales (immunofluorescence)

Elle s'intéresse à l'écosystème cellulaire, c'est-à-dire à l'équilibre dynamique et autorégulé des fonctions cellulaires, dans un contexte normal ou perturbé. Le champ de la biologie cellulaire concerne une multitude de réactions chimiques coordonnées et de mécanismes fins de régulation entre des millions de constituants micro et nanoscopiques. Ces constituants assurent durablement l'architecture et le fonctionnement de la cellule[1].

La pratique de la biologie cellulaire implique aussi bien la mise en œuvre de techniques simples, artisanales, que de technologies complexes du point de vue des procédés et des équipements. Selon la nature de l'élément cellulaire étudié (par exemple : ADN, ARN, protéine, complexe protéique, métabolite, organite, membrane…) et selon les fonctions cellulaires analysées (déplacement, métabolisme, morphologie, activité enzymatique, voie de signalisation, santé cellulaire…) différentes technologies sont choisies.

La connaissance grandissante en biologie (en parallèle d'avancées technologiques spectaculaires) associe aujourd'hui, et même parfois confond, les notions de biologie cellulaire et de biologie moléculaire, réunies alors dans l'expression « biologie cellulaire et moléculaire ».

Histoire

Avant la période de la Renaissance, il était difficile d'imaginer l'existence d'organismes vivants trop petits pour être vus à l’œil nu, ou de croire qu'ils pouvaient porter atteinte à des hôtes de grande taille, tout comme il était difficile d'imaginer que les êtres vivants puissent être composés de cellules. De manière générale, l'existence de microorganismes a été niée jusqu'en 1677 lorsqu'ils furent vus et décrits par Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723), un marchand de draps à Delft (Pays-Bas), qui n'avait aucune formation scientifique mais une grande patience et une grande curiosité. Il réussit à obtenir de forts grossissements (X 300) grâce à un microscope simple composé d'une seule petite lentille presque sphérique. Dans ses lettres publiées par The Royal Society of London, il décrivait un tout nouveau monde, auparavant invisible, comprenant des « animalcules » (reconnus maintenant comme bactéries et protozoaires) dont la mobilité montrait qu'ils étaient vivants.

D'autre part, la cellule fut découverte par l'Anglais Robert Hooke (1635-1703) en 1665. Il observa des fines tranches de liège à l'aide d'un simple verre grossissant et remarqua ainsi sa structure en petites. Il nomma ces cases cellula, car elles lui faisaient penser à des cellules de moines. Le terme, à la base latin, donna cell en anglais et cellule en français. Les cellules qu'observa Robert Hooke étaient des cellules mortes et vidées de leur contenu.

Histoire des découvertes et du vocabulaire des divisions des cellules eucaryotes
Chercheur	Vie	Découverte	Organisme	Mot nouveau	Année	Ville
Robert Brown	1773-1858	mouvement brownien noyau cellulaire	végétaux	nucleus	1827 1831	Londres
Matthias Schleiden	1804-1881	Théorie cellulaire, division du noyau l'embryon vient d'une cellule	végétaux		1838	Iéna
Theodor Schwann	1810-1882	Théorie cellulaire, division du noyau l'œuf, cellule initiale de l'embryon	animaux	métabolisme	1837 1839	Berlin
Karl Bogislaus Reichert	1811-1883	4 spermatozoïdes pour 1 spermatogonie	nématode	aster	1849	Breslau
Rudolf Virchow	1821-1902	omnis cellula e cellula			1855	Wurtzbourg
Hermann Munk	1839-1912	4 spermatozoïdes pour 1 spermatogonie	ascaride		1858	Berlin
Albert von Kölliker	1817-1905	Développement des techniques d'histologie		cytoplasme	1863	Wurzbourg
Rudolf Leuckart	1822-1898	4 spermatozoïdes pour 1 spermatogonie	nématode			Leipzig
Otto Bütschli	1848-1920	mitose, fécondation	nématode	Fuseau de direction	1875	Heidelberg
Eduard Strasburger	1844-1912	méiose	gymnospermes		1875	Iéna
Oscar Hertwig	1859-1932	fécondation	oursin	spermakern, eikern	1876	Berlin
Hermann Fol	1845-1892	pénétration du spermatozoïde dans l'ovocyte	étoile de mer	amphiaster de rebut	1879	Genève
Walther Flemming	1843-1905	mitose	salamandre	chromatine mitose	1878-1882	Kiel
August Weismann	1834-1914	non héritabilité des caractères acquis	oursin	plasma germinatif lignée germinale	1880 1892	Fribourg-en-Brisgau
Edouard van Beneden	1846-1910	description de la méiose de l'ovocyte et du spermatocyte	lapin ascaride	pronucleus mâle et pronucleus femelle	1875 1883-1887	Liège
Theodor Boveri	1862-1915	théorie chromosomique de l'hérédité	ascaride oursin		1885-1890 1891-1910	Munich Wurzbourg
Heinrich Waldeyer	1836-1921			chromosome	1888	Berlin
Hans de Winiwarter	1875-1949	mécanismes de la méiose	mammifères		1901-1909	Liège
John E. S. Moore with J.B. Farmer	1870-1947 ?			synapsis méiose	1892 1905	Londres
Edmund Beecher Wilson Nettie Stevens	1856-1939 1861-1912	Détermination du sexe par les chromosomes XY	homme insecte		1905	New York Washington
Thomas Hunt Morgan	1866-1945	recombinaison génétique	drosophile	crossover	1911	New York

La biologie cellulaire était née avec l'invention du premier microscope optique (photonique) par Antoni van Leeuwenhoek.

L'étude des microorganismes (dont les bactéries) ne devint réellement accessible qu'avec le développement d'un microscope optique composé (multilentilles) efficace vers les années 1825.

Rudolf Virchow (1821-1902), physiologiste allemand est l'auteur de l'adage « omni cellula e cellula », ou comme il le publie en 1858 dans Cellularpathologie « Là où apparaît une cellule, il doit y avoir eu une autre cellule auparavant » « Tout animal apparaît comme la somme d'unités vitales dont chacune porte en elle tous les caractères de la vie. »

La cellule est donc une enceinte séparée de l'extérieur par une membrane capable de filtrer sélectivement les échanges.

Jusqu'au XIX^e siècle, les organismes vivants étaient classés comme animaux ou végétaux selon des différences évidentes de forme et de constitution, qui dérivent de différences fondamentales dans leur mode de nutrition.

Technologies utilisées

Selon la structure cellulaire observée et la fonction cellulaire étudiée, des procédures et des matériels très variés sont employés :

Pour la culture cellulaire : milieux de culture, contenants, incubateurs, systèmes de régulation des paramètres physico-chimiques du milieu, surfaces en contact avec les cellules, cultures adhérentes et en suspension[2]…

Pour l'analyse de l'ADN : purification, southern blot, PCR, cytogénétique, puce à ADN (biopuce)…

Pour l'analyse de l'ARN : purification, northern blot, RT-PCR, RT-qPCR, transcription in vitro, ARN interférence, puce à ARN (transcriptomique), séquençage Sanger, séquençage à haut débit…

Pour l'analyse des protéines: purification, ELISA, immunohistochimie, western blot, co-immunoprécipitation…

Detection of b-III tubulin by fluorescence microscopy in mammalian cerebellum neurons

Pour l'analyse des métabolites : plusieurs technologies de séparation et de détection.

Pour l'analyse des organites : purification, immunohistochimie, essais enzymatiques…

Pour l'analyse des membranes : purification, technologies spécifiques des fonctions associées (ex. patch-clamp).

Pour l'analyse du déplacement (migration, invasion, adhésion, haptotaxie...) : tests spécifiques utilisant souvent la microscopie.

Pour l'analyse de la santé cellulaire (cycle cellulaire, cytotoxicité, apoptose, génotoxicité, sénescence, stress oxydant…): nombreux tests spécifiques.

Différents types de microscopes et de cytomètres sont utilisés pour l'analyse de la quasi-totalité des structures cellulaires listées précédemment.

Par ailleurs, d'autres technologies du domaine de l'ingénierie cellulaire[3] peuvent être mises à profit en Biologie Cellulaire : ADN recombinant, mutagenèse, transfert de gènes, gène rapporteur, transfert de protéines, etc.

Notes et références

Joël de Rosnay, « The Macroscope » sur Principia Cybernetica Web
Culture of Animal Cells, a Manual of Basic Technique, R. Ian Freshney, publié par Alan R.Liss, Inc, Seconde Édition 1987
Animal Cell Biotechnology, Methods and Protocols, édité par Nigel Jenkins, Humana Press

Articles connexes

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[1] Joël de Rosnay, « The Macroscope » sur Principia Cybernetica Web

[2] Culture of Animal Cells, a Manual of Basic Technique, R. Ian Freshney, publié par Alan R.Liss, Inc, Seconde Édition 1987

[3] Animal Cell Biotechnology, Methods and Protocols, édité par Nigel Jenkins, Humana Press