Étude de Cas

Eclairer les origines de la multicellularité par imagerie 3D confocale Airyscan

14 février 2026 · 10 MIN LECTURE

Sciences de la Vie

Auteur Núria ROS I ROCHER Chercheuse - Institut Pasteur

Résumé

Observation de la multicellularité par imagerie confocale haute résolution

L'équipe Laboratory Junior Group (G5) / CNRS – UMR3691 de l'Institut Pasteur explore la biologie cellulaire et l'évolution de la morphogenèse. Dans le cadre de ses recherches, elle s'intéresse à une question encore non résolue : quelle était la forme des premiers animaux ?

Afin de comprendre comment les mécanismes morphogénétiques du développement animal ont émergé au cours de l’évolution, ils étudient le comportement du choanoflagellé Choanoeca flexa, un organisme unicellulaire étant le plus proche parent connu des animaux.

La multicellularité représente en effet une étape clé de l’évolution des eucaryotes et repose classiquement sur deux mécanismes distincts : la clonalité et l’agrégation. Dans cette note d’application réalisée avec Núria ROS I ROCHER, chercheuse à l'Institut Pasteur, nous décrivons l’utilisation de la microscopie confocale à l'aide du système ZEISS LSM 900 avec Airyscan pour étudier l’organisation tridimensionnelle des colonies multicellulaires du choanoflagellé Choanoeca flexa. Grâce à une imagerie 3D haute résolution, l'équipe de l'Institut Pasteur a pu visualiser et caractériser des colonies formées par des processus clonaux, agrégatifs ou mixtes.

Ici, nous montrons que le choanoflagellé Choanoeca flexa forme des monocouches cellulaires motiles et contractiles (« sheets ») via plusieurs mécanismes : les sheets de C. flexa peuvent se former de façon purement clonale, purement agrégative ou par une combinaison des deux processus. Ces observations apportent un éclairage nouveau sur la flexibilité des cycles de vie et sur l’évolution de la multicellularité.

Dans cette note, apprenez :

Les différents mécanismes de formation des colonies multicellulaires (clonal, agrégatif et mixte)
L’apport de l’imagerie confocale ZEISS Airyscan pour la visualisation et la reconstruction 3D de structures biologiques complexes
Comment ces approches d’imagerie soutiennent la recherche fondamentale en biologie évolutive

Etude de cas - Aperçu

Echantillon	Choanoeca flexa – choanoflagellé formant des colonies multicellulaires
Objectif	Analyser l’organisation spatiale et tridimensionnelle des colonies formées dans différentes conditions, afin de mieux comprendre leurs modes de formation.
Résultats	Reconstruction 3D précise et analyse morphométrique des colonies révélant une multicellularité par un processus mixte clonal–agrégatif.
Système	ZEISS Axio Observer Z1/7 – LSM 900 Airyscan 2

Introduction

La multicellularité, c'est-à-dire la possession de plusieurs cellules chez un organisme vivant, a émergé de manière indépendante à plusieurs reprises au cours de l’évolution des eucaryotes. Pourtant, la manière dont cette organisation est apparue reste encore mal comprise.

Les choanoflagellés, des micro-organismes unicellulaires vivant en milieu aquatique, sont considérés comme les plus proches parents unicellulaires des animaux. Ils constituent donc un modèle idéal pour étudier les premières étapes de la multicellularité. Jusqu’à récemment, on pensait que ces organismes formaient des structures multicellulaires uniquement par division cellulaire. Les progrès récents en imagerie confocale permettent aujourd’hui d’observer ces structures avec une grande précision et d’explorer de nouvelles hypothèses sur l’origine et la diversité des formes multicellulaires.

Le projet mené à l’Institut Pasteur visait à décrire les mécanismes de formation des colonies multicellulaires chez le choanoflagellé Choanoeca flexa. En combinant imagerie en direct, analyses comportementales, tests d’inhibition et observations de terrain, l’étude avait pour objectif de comprendre comment cette espèce acquiert et régule la multicellularité dans son environnement naturel.

Mécanismes de multicellularité

Deux mécanismes distincts sont principalement décrits dans l'origine de la multicellularité :

La multicellularité clonale, issue de divisions cellulaires sérielles sans séparation des cellules soeurs
La multicellularité agrégative, par laquelle des cellules indépendantes s’assemblent pour former un ensemble multicellulaire.

La multicellularité clonale et agrégative sont traditionnellement considérées comme mutuellement exclusives, à de rares exceptions près, et les hypothèses évolutives se sont attachées à expliquer pourquoi la multicellularité pourrait diverger vers l’un ou l’autre extrême. Chez les animaux et leurs plus proches parents, les choanoflagellés, la multicellularité était jusqu'à présent uniquement décrite comme clonale.

L’objectif principal de ce projet était ainsi de décrire précisément les mécanismes de formation des colonies multicellulaires chez Choanoeca flexa. Plus concrètement, le projet visait à :

Observer l’organisation spatiale des cellules au sein des colonies,
Déterminer si les colonies se forment par division cellulaire, par regroupement de cellules indépendantes, ou par une combinaison des deux,
Produire des données fiables permettant de mieux comprendre l’évolution des organismes multicellulaires.

Núria ROS I ROCHER - Institut Pasteur
"Au Coeur des Origines", reconstruction 3D d’une image confocale Airyscan montrant des colonies formées par agrégation chez le choanoflagellé Choanoeca flexa.

Matériel & Méthode

Étude de l’organisation multicellulaire par imagerie confocale haute résolution

L'échantilllon correspond à l'espèce de choanoflagellé Choanoeca flexa, un micro-organisme unicellulaire marin capable de former des colonies multicellulaires. Ce modèle biologique est particulièrement pertinent pour étudier les mécanismes à l’origine de la multicellularité.

Les échantillons ont été cultivés en conditions monoaxéniques avec la bactérie Halopseudomonas oceani dans de l’eau de mer artificielle complétée avec 1 % (v/v) de seawater complete. Des cellules uniques ont été incubées dans le milieu de culture pendant 24 h afin de favoriser la formation de colonies par agrégation de cellules individuelles. L’échantillon a ensuite été transféré dans une plaque ibiTreat 96 puits, fixé avec du paraformaldéhyde à 4 %, perméabilisé avec 0,1 % de Triton-X, puis coloré avec une dilution 1:1000 de FM4-64X et de phalloïdine 488.

L'imagerie a été réalisée à l’aide d’un objectif Zeiss Plan-Apochromat 40X/1.3 Oil DIC (UV) VIS-IR M27, en modes Airyscan MPLX SR-4Y et line averaging 2X, sur un microscope inversé Zeiss Axio Observer Z1/7 équipé du système LSM900 Airyscan 2. Cette configuration permet d’acquérir des images à haute résolution et de reconstruire les colonies en trois dimensions. L’utilisation de l’Airyscan améliore la résolution et le rapport signal/bruit par rapport à la confocale classique, rendant possible l’observation détaillée de structures multicellulaires complexes. Cette approche fournit des données fiables et reproductibles, essentielles pour l’analyse morphométrique et l’interprétation des mécanismes de formation des colonies.

Apport de l’imagerie confocale haute résolution

La microscopie confocale permet ainsi d’analyser des échantillons biologiques en profondeur et de founir des informations détaillées sur l’organisation spatiale des cellules et des structures biologiques complexes. La technologie Airyscan apporte une imagerie haute résolution et un excellent rapport signal/bruit, ce qui confère plusieurs avantages majeurs :

Amélioration de la résolution et du contraste, essentiels pour distinguer clairement les cellules individuelles au sein des colonies et analyser leur organisation fine.
Analyse morphologique tridimensionnelle : la reconstruction 3D précise des colonies multicellulaires offre une vision globale de l’architecture des colonies et facilite l’analyse de leur forme, de leur organisation interne et des relations spatiales entre les cellules.
Obtention de données quantitatives robustes et reproductibles, particulièrement adaptées aux analyses morphométriques et à la comparaison de différentes conditions expérimentales, contribuant ainsi à une meilleure compréhension des mécanismes de formation des colonies.

Résultats

Les travaux montrent pour la première fois que Choanoeca flexa est capable de former des structures multicellulaires sous forme de monocouches cellulaires contractiles (« sheets ») selon trois modalités distinctes :

Formation purement clonale,
Formation purement agrégative,
Formation mixte combinant clonalité et agrégation.

Cette découverte remet en question une hypothèse de longue date selon laquelle ces deux modes de multicellularité seraient incompatibles. Elle met également en évidence la grande plasticité des cycles de vie chez les choanoflagellés et le rôle central de facteurs environnementaux, en particulier la salinité, dans la synchronisation des transitions entre états unicellulaires et multicellulaires.

Sur le plan scientifique, ce projet apporte de nouvelles données majeures sur l’évolution de la multicellularité et suggère que les transitions entre modes clonaux et agrégatifs pourraient être beaucoup plus fréquentes qu’anticipé, notamment dans des conditions environnementales permissives.

L'utilisation du microscope inversé ZEISS Axio Observer Z1/7 équipé du système LSM900 Airyscan 2 nous a permis de visualiser avec une excellente résolution l’architecture multicellulaire de notre organisme d’intérêt. La qualité de l’imagerie Airyscan a également rendu possible la reconstruction 3D précise des colonies, essentielle pour nos analyses morphométriques.

Núria Ros i Rocher Institut Pasteur

Conclusion

Comprendre les origines de la multicellularité est essentiel pour retracer l’émergence de la complexité biologique chez les eucaryotes. L’étude de Choanoeca flexa révèle qu’un choanoflagellé peut former des structures multicellulaires selon des mécanismes clonaux, agrégatifs ou mixtes, remettant en cause l’idée d’une opposition stricte entre ces modes.

Dans ce cadre, l’utilisation du microscope confocal ZEISS LSM 900, associé à l’Airyscan 2, a permis d’obtenir des images de haute qualité et reproductibles, essentielles pour l’analyse morphométrique et l’interprétation des mécanismes de formation de la multicellularité. Cette approche démontre comment les solutions ZEISS soutiennent la recherche fondamentale en biologie cellulaire et ouvrent de nouvelles perspectives pour l’étude de l’évolution des formes de vie multicellulaires.

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Service et assistance

Référence Papier

Environmentally regulated clonal-aggregative multicellularity in a choanoflagellate : https://doi.org/10.1101/2024.03.25.586565

Núria Ros-Rocher, Josean Reyes-Rivera, Uzuki Horo, Chantal Combredet, Yeganeh Foroughijabbari, Ben T. Larson, eMaxwell C. Coyle, Erik A.T. Houtepen, Mark J. A. Vermeij,Jacob L. Steenwyk, Thibaut Brunet

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