Microtubules artificiels oscillants
Imiter le vivant: des fibres qui s'étendent et se rétrécissent spontanément


Fibres supramoléculaires auto-oscillantes contrôlées par des carburants chimiques, dans ce cas un oxydant (O2) et un réducteur (S2O42–)

Dans la cellule, les oscillations de taille de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) naturelles telles que les microtubules ou les filaments d'actine du cytosquelette sont contrôlées par la "combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une...)" de carburants chimiques. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) supramoléculaire de Strasbourg (CNRS/Unistra) ont découvert un phénomène similaire dans un système complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la quantité...) artificiel. De tels systèmes auto-oscillants synthétiques semblables au vivant pourront avoir des applications nombreuses en science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les...), en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie),...) et en robotique molle. Ces résultats sont publiés dans Nature Nanotechnology

Thomas Hermans, enseignant-chercheur associé à l'Université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du gymnase Jean-Sturm...) et ses collaborateurs ainsi que des chercheurs d'Aston University (Royaume-Uni) ont mis au point (Graphie) des fibres supramoléculaires synthétiques formées de molécules aux couleurs vives dont l'auto-assemblage et le désassemblage (Le désassemblage est l'action inverse de l'assemblage. Cette opération va, grâçe à un désassembleur, essayer de convertir un fichier binaire en code assembleur. Mais cette tâche n'est pas évidente. En...) peuvent être contrôlés par des réactions d'oxydoréduction. Dans un système à flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) continu, ces fibres s'étendent et se rétrécissent spontanément.

Division cellulaire, mobilité cellulaire et mouvement intracellulaire sont quelquesunes des fonctions du cytosquelette et des différentes fibres naturelles qui le constituent. À l'intérieur de la cellule, les microtubules ou les filaments d'actine présentent des oscillations spontanées de taille. Les organismes vivants utilisent des combustibles chimiques comme le guanosine triphosphate (GTP) pour actionner les processus d'assemblage et de désassemblage des fibres dans le cytosquelette. Les microtubules, par exemple, sont formés par la tubuline liée au GTP, qui s'autoassemble en fibres longues. Une fois que le carburant (Un carburant est un combustible qui alimente un moteur thermique. Celui-ci transforme l'énergie chimique du carburant en énergie mécanique.) chimique est consommé, ce qui pour les microtubules est lorsque le GTP est hydrolysé en guanosine diphosphate (GDP), les fibres disparaissent.

Les chercheurs ont mis au point un système complètement artificiel qui fonctionne de manière similaire aux microtubules. Ils ont développé une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente...) capable de former des fibres spontanément par auto-assemblage, commençant par des petits "noyaux" qui grandissent rapidement. La molécule peut être désactivée en réagissant avec un réducteur chimique, entrainant la dissociation des fibres. Les molécules peuvent être réactivées par l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (un oxydant), ce qui fait croître à nouveau les fibres. En plus des oscillations spontanées, les chercheurs ont observé des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) progressives de formation de fibres et des motifs complexes à l'échelle centimétrique. Ils ont constaté que l'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 contact de...) de l'auto-assemblage moléculaire et de la convection (La convection est un mode de transfert de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des...) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui...) mène à ces structures en mosaïque.

Dans l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...), ce travail ouvre de nouvelles voies pour obtenir des systèmes et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) artificiels semblables au vivant, capables d'exécuter des fonctions biologiques complexes telles que la division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce...) cellulaire.

Voir vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à l'électronique et non de type photochimique. Le mot...): https://www.youtube.com/watch?v=BspXMhn361w&t

Référence publication:
J.Leira-Iglesias, A.Tassoni, T.Adachi, M.Stich, T.M.Hermans Oscillations, traveling fronts and patterns in a supramolecular system, Nature Nanotechnology 2018, https://dx.doi.org/10.1038/s41565-018-0270-4

Contact chercheur:
Thomas Hermans - Directeur, Laboratoire des Systèmes Complexes Hors Équilibre, CNRS/Unistra
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