Comment un ensemble de cellules homogène parvient-il à s’organiser spontanément en une structure embryonnaire complexe ? Les progrès considérables de la biologie moléculaire et génétique ont permis d’identifier de nombreux acteurs impliqués dans ce processus appelé embryogenèse, mais au prix d’un morcellement des niveaux d’analyse. Aujourd’hui, les chercheurs se proposent de dépasser les frontières traditionnelles entre disciplines par l’application des lois de la physique aux premiers stades de la vie. Cette approche ouvre des perspectives inédites pour traiter l’infertilité ou la régénération des tissus. Mais elle soulève aussi des questions éthiques importantes sur notre capacité future à façonner le vivant.
Rencontre avec Hervé Turlier*, physicien au Collège de France.
Pour Hervé Turlier, définir un embryon n’est pas évident. « Je ne suis pas sûr d’avoir jamais essayé de définir ce que c’est qu’un embryon », avoue-t-il. Sa définition reste simple : « Il existe peut-être une définition générique qui consiste à considérer l’embryon comme une assemblée de cellules en développement. » Fondamentalement dynamique et non statique, cette définition met l’accent sur deux dimensions essentielles : le temps et l’espace. L’embryogenèse est en effet indissociable de la morphogenèse, qui désigne l’organisation spatiale progressive des cellules. Selon le chercheur, l’embryon peut être pensé comme « une carte de spatialisation », dans laquelle émergent progressivement les couches et les différenciations cellulaires. Ce point de vue conduit à déplacer l’attention depuis les seuls déterminants moléculaires vers la structure globale du système embryonnaire, conçue comme une entité spatiale en transformation.
Cette perspective rejoint les premières approches de la biologie du développement. À la fin du XIXe siècle, l’observation directe des embryons marins conduisait les chercheurs à s’interroger sur la brisure spontanée des symétries et l’émergence des axes corporels. Hervé Turlier rappelle que ces recherches étaient alors animées par une intuition fondamentalement physique des processus du vivant, intuition que la biologie moléculaire contemporaine tend parfois à reléguer au second plan. Pour le physicien, les gènes ne constituent pas le niveau d’explication le plus pertinent pour dégager des mécanismes universels du développement. Si certains gènes sont conservés, les gènes développementaux sont mobilisés différemment selon les espèces, les contextes et les temporalités. Cette variabilité limite leur portée explicative lorsqu’il s’agit de formuler des lois générales de la morphogenèse.
C’est pour cela que les recherches d’Hervé Turlier se concentrent sur ce qu’il nomme le « substrat géométrique, topologique et mécanique » de l’embryon, qu’il considère comme profondément conservé au cours de l’évolution. Dans l’embryogenèse précoce, les cellules se divisent selon des mécanismes mécaniques analogues, indépendamment des espèces concernées. Cette constance autorise la construction de modèles génériques, capables de saisir les principes fondamentaux de l’auto-organisation cellulaire. La génétique intervient alors comme un niveau secondaire, que le chercheur compare à un « circuit imprimé » encodant les règles de décision des cellules, mais non leur architecture de base.
Cette vision change notre compréhension du développement. Les forces physiques deviennent les véritables architectes de l’embryon. Les gènes ne font qu’ajuster ces processus universels qu’il devient possible de modéliser.
Les outils de la nouvelle biologie
Au cœur des recherches d’Hervé Turlier se trouve la modélisation numérique, conçue comme une forme d’expérimentation. « Les simulations numériques, c’est un peu comme des expériences », affirme-t-il, « à condition de reconnaître qu’elles demeurent de pâles copies de la réalité ». Leur valeur ne réside pas dans une reproduction exhaustive du vivant, mais dans leur capacité à isoler des mécanismes minimaux et à explorer systématiquement leurs paramètres. Cette approche repose sur un travail préalable de mathématisation, nourri par les données expérimentales et les échanges avec les biologistes. Une fois les équations mathématiques établies, les simulations permettent de tester des hypothèses, de produire des prédictions et, surtout, de guider l’expérimentation en retour. Pour le physicien, l’avantage est énorme. « On va les faire varier pour explorer les paramètres comme il est impossible de le faire expérimentalement. » En effet, l’ordinateur teste mille scénarios en quelques heures. Hervé Turlier revendique ainsi un modèle circulaire de la connaissance, dans lequel théorie et expérience se nourrissent mutuellement, à l’image de ce qui se pratique depuis longtemps en physique.
L’un des développements récents de cette démarche réside dans l’usage des méthodes d’apprentissage automatique, mobilisées non comme une fin en soi, mais comme des outils d’accélération des problèmes inverses. Ces méthodes permettent d’inférer automatiquement les paramètres ou même les structures de modèles à partir de données massives, ouvrant la voie à une modélisation plus prédictive de l’embryogenèse. « Il va être possible d’avoir une librairie de modèles. L’objectif deviendra de trouver le meilleur modèle adapté aux données. » Cette révolution technologique accélère la recherche. Elle permet d’« accélérer l’analyse de données, d’implémenter des problèmes inverses de façon très simple ». Les chercheurs se concentrent sur les grandes questions plutôt que sur les calculs. Cette synergie entre modélisation et expérimentation révolutionne la recherche biologique et ouvre des perspectives enthousiasmantes pour la santé.
Les défis de demain
Les travaux d’Hervé Turlier ne se limitent pas à une ambition théorique. Une application majeure concerne la fécondation in vitro (FIV), dans le cadre légal et médical français. L’objectif est d’identifier des marqueurs géométriques et mécaniques du développement embryonnaire permettant de mieux évaluer le potentiel d’implantation des embryons, au-delà de critères essentiellement visuels ou empiriques qui prévalent jusqu’ici. « Notre originalité vient de la compréhension profonde des mécanismes en jeu », précise-t-il. Cette expertise permet de prédire la viabilité embryonnaire avec plus de précision. Les couples infertiles pourraient bénéficier de taux de réussite améliorés. Cette application démontre l’utilité médicale immédiate de la recherche fondamentale.
À plus long terme, la compréhension des mécanismes d’auto-organisation cellulaire apparaît décisive pour la médecine régénérative et le développement des organoïdes. « L’idée est de prendre des cellules souches, de les mettre dans une boîte, puis de les faire développer un nouveau tissu. » Cette perspective révolutionnaire pourrait transformer la médecine. « Imaginez cultiver un foie pour remplacer un organe défaillant, ou régénérer des tissus nerveux pour traiter les paralysies. Les possibilités semblent infinies ! » Cette maîtrise de l’auto-organisation cellulaire ouvre un nouveau chapitre de la médecine. Elle promet des traitements pour des maladies aujourd’hui incurables.
Toutefois, Hervé Turlier souligne également les enjeux éthiques et politiques associés à une biologie de plus en plus prédictive et manipulable. « Plus nous allons comprendre et contrôler la biologie, plus nous allons être capables de la moduler et, potentiellement, de la détourner. » Pour lui, « le pouvoir de contrôler le développement embryonnaire par la biologie synthétique ouvre un horizon à la fois magnifique et terrifiant ». Cette ambivalence demande une réflexion collective. Jusqu’où peut-on modifier le vivant ? Qui décide des limites ? Ces questions dépassent la science pour toucher l’éthique et la société. La communauté scientifique doit anticiper ces débats. L’encadrement de ces technologies devient crucial pour leur développement responsable.
L’approche biophysique défendue par Hervé Turlier propose un déplacement majeur dans la manière de penser l’embryogenèse : du gène vers la forme, du détail moléculaire vers l’organisation globale. Elle réconcilie physique et biologie dans une vision unifiée du vivant. En réhabilitant la modélisation comme outil central de la connaissance du vivant, elle contribue à refonder les cadres épistémologiques de la biologie du développement et à renforcer son dialogue avec la physique et les mathématiques. Loin d’opposer théorie et expérience, cette démarche montre que c’est dans leur articulation rigoureuse que peut émerger une compréhension véritablement scientifique du vivant.
*Hervé Turlier est responsable de l’équipe Physique multiéchelle de la morphogenèse au sein du Centre interdisciplinaire de recherche en biologie du Collège de France.
