Numerical simulation of morphogenetic movements in Drosophila embryo - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Numerical simulation of morphogenetic movements in Drosophila embryo

Simulation numérique des mouvements morphogénétiques chez l'embryon de Drosophile

Résumé

The main purpose of the present work is to combine together biology and mechanics that are often strongly connected in nature. The huge advances made in numerical modelling consent us to investigate a complex system such as Drosophila Melanogaster. In particular we propose here a finite element model of the embryo and we use computer simulations to reproduce three morphogenetic movements occurring during development. Specifically ventral furrow invagination, cephalic furrow formation and germ band extension; the three of them stand out for elementary forces acting on the cells that have been analyzed for long time by biologists. The mesoderm, the main tissue composing the embryo, is modelled as a continuum and a gradient decomposition method is used in order to take into account both the active and the passive deformation undergone by the cells. Additionally the boundary conditions imposed by the biological structure, that are the yolk pressure and the external contact with the semi-rigid vitelline membrane, are required in order to obtain consistent results. The individual simulations of the three movements have shown a significant agreement with experimental observations, thus they constitute an useful tool for further analysis. Furthermore we have been able to confirm some important hypothesis put forward by biologists, such as the presence of a mechanotransduction path within the embryo, and to suggest new hints of discussion regarding some aspects so far unexplored. Finally, given the consistence of the results for the individual simulations, we have performed the concurrent simulation of the morphogenetic events. Two approaches have been tested: one very intuitive, which presents some limitations, and another more rigourous and accurate that would provide a realistic and complete reproduction of some important phases of Drosophila embryogenesis.
L'objectif principal de cette thèse est de combiner ensemble mécanique et biologie qui sont souvent très reliées dans plusieurs processus naturels. Les progrès qui ont été faits dans le domaine de la modélisation numérique nous permettent d'examiner un système très complexe comme l'embryon de Drosphile. En particulier on propose ici un modèle aux éléments finis de l'embryon et on reproduit trois mouvements morphogénétiques qui se produisent lors du développement. Spécifiquement l'invagination du sillon ventral, la formation du sillon céphalique et l'extension de la bande germinale; tous les trois sont caractérisés par des déformations élémentaires des cellules et ont été largement étudiés par les biologistes. Le tissu principal qui compose l'embryon, le mésoderme, est modélisé ici comme un milieu continu et la méthode de la décomposition du gradient de déformation est utilisé pour pouvoir prendre en compte et les déformations actives et celles passives. Les conditions aux limites imposées par la structure biologique (i.e. la pression du yolk et le contact avec la membrane vitelline) sont aussi implémentées. Les simulations individuelles des trois mouvements ont montré une très bonne similarité avec les observations expérimentales, donc elles représentent an outil intéressant pour des analyses successives. Plusieurs hypothèses proposées par les biologistes ont été confirmées, dont la présence d'un processus de mécano transduction à l'intérieur de l'embryon qui permettrait de transformer une force mécanique en signal chimique. Enfin on propose aussi une simulation concomitante des événements morphogénétiques. On a testé deux différentes approches: une très intuitive qui présente toutefois quelques limitations, et une deuxième plus rigoureuse et précise qui permettrait donc d'obtenir une reproduction plus réaliste et complète de ces importantes phases du développement de l'embryon de Drosophile.
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Dates et versions

tel-00429691 , version 1 (04-11-2009)
tel-00429691 , version 2 (04-02-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00429691 , version 1

Citer

Rachele Allena. Numerical simulation of morphogenetic movements in Drosophila embryo. Mechanics [physics.med-ph]. Ecole Centrale Paris, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00429691v1⟩
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