Un cristal liquide de bactéries simulé à la perfection !
Publié par Isabelle le 27/01/2019 à 14:00
Source: CEA
Des chercheurs de l'Iramis et leurs partenaires chinois ont réussi à modéliser quantitativement la structure et la dynamique d'un "cristal liquide" composé de bactéries. Ce modèle pourrait s'appliquer à d'autres systèmes de "matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) active", vivante ou artificielle.



Quoi de commun entre un étourneau, une sardine (La sardine (Sardina pilchardus) est un poisson de la famille des Clupeidae, qui comprend également le hareng, l'alose, notamment. Selon la région elle prend les noms de...) ou une bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire...) ? Quand ils se déplacent en groupe, ils forment un collectif doté de propriétés remarquables, du fait d'une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) simple de chaque individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux sont soutenus par la fondation Wikimedia).) avec ses proches voisins.

On observe ainsi que des bactéries en solution, mobiles et de forme allongée, s'organisent spontanément selon une structure de cristal liquide (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.), avec un ordre d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) (nématique) et une faible dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) de leurs vitesses de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...). Du fait de leurs formes et de leurs interactions, les bactéries ont en effet localement tendance à s'aligner entre elles et à ajuster leurs vitesses. La modélisation permet de reproduire qualitativement les propriétés "émergentes" de ces collectifs désignés sous le nom de "matière active", où chaque individu est capable de dissiper son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) pour se déplacer.

Des chercheurs de l'Iramis sont parvenus à construire un modèle minimal permettant de décrire finement toutes les propriétés d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) d'une colonie bidimensionnelle de bactéries en forme de bâtonnets. L'expérience réalisée par leurs partenaires chinois leur fournit en effet des relevés précis des positions et vitesses individuelles des bactéries. Les images montrent ainsi une structure en domaines ordonnés où les bactéries sont alignées et leurs vitesses très proches. Les frontières entre domaines mènent à des points topologique singuliers où sont observées des discontinuités de vitesse (On distingue :) ou de direction d'alignement. Dans l'expérience, l'ajout d'une concentration ajustable d'antibiotique (Un antibiotique (du grec anti : « contre », et bios : « la vie ») est une molécule qui...) permet de contrôler la forme des bactéries et d'accéder ainsi à une riche statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat...) de résultats.

Non seulement le modèle permet de décrire correctement (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) statistique) le système de bactéries, mais il prédit également, avec un niveau de détails tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait inattendu, la structure fine des points singuliers (défauts de vitesse ou d'orientation). Ainsi le modèle proposé permet-il de rendre compte à la fois du système étudié et aussi, de façon très précise, des défauts observés. Cette méthode versatile doit pouvoir être appliquée à de nombreux systèmes de matière active, vivante ou artificielle.

Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) de sciences naturelles de Shanghai (Shanghai (chinois : 上海 ; en pinyin shànghǎi prononciation ; shanghaïen : zanhe ; littéralement « sur la...) Jiao Tong University et l'Institut de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle...) synthétique de l'Académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des séances au cours desquelles des travaux sont...) chinoise, à Shenzhen.

Références

Data-driven quantitative modeling of bacterial active, PNAS
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