Santé

En vidéo : un minirobot biologique imite la nage du spermatozoïde

ActualitéClassé sous :biologie , biobot , performance d'un biobot

Des chercheurs sont parvenus à créer une machine microscopique mise en mouvement par des cellules cardiaques de rats. Elle peut donc se déplacer dans un milieu liquide, comme les spermatozoïdes auxquels elles ressemblent, et ce malgré les forces de viscosité qui s'opposent à leurs mouvements. Cette invention est à découvrir en vidéo. 

Un biobot nageur inspiré du spermatozoïde  Pour la première fois, des chercheurs sont parvenus à créer une machine biohybride microscopique qui nage de manière autonome. Elle est propulsée par des cellules cardiaques de rat. © Brian Williams et al., Nature Communications, 2014 

De nombreux micro-organismes ou cellules sont dotés d'un ou plusieurs flagelles dont les mouvements oscillatoires leur permettent de se déplacer dans un milieu liquide, et ce malgré les forces de viscosité qui s'opposent à leurs mouvements (étant donné leur taille, le nombre de Reynolds est faible). Pour se figurer l'allure d'un tel être, il suffit de penser aux spermatozoïdes dont le corps se compose schématiquement d'une tête et d'une queue. Derrière leur apparente simplicité, ces micro-organismes lancent depuis toujours un véritable défi aux biologistes et roboticiens, tant ils sont durs à imiter à petite échelle.

D'ailleurs, voici quelques semaines encore, il n'existait aucun être synthétique microscopique capable de se déplacer de manière autonome dans un milieu liquide, et ce contre les forces de viscosité. Mais, si nous en parlons, c'est que la situation vient d'évoluer. Nous devons cette avancée à l'équipe de chercheurs menée par Taher Saif de l'université de l'Illinois (États-Unis), dont les travaux viennent d'être présentés dans la revue Nature Communications.

Non seulement un engin autonome relevant les défis a été créé, mais il est en plus partiellement composé de cellules biologiques. Il s'agit donc d'un biobot. Il mesure au total 1.954 µm de long, qui se divisent en une tête de 454 µm de long et 57 µm de large, ainsi qu'en une queue de 1.500 µm de long et 7 µm de large. La hauteur de l'objet reste inchangée sur toute sa longueur : 7 µm. De fait, sa forme ne va pas sans rappeler celle d'un spermatozoïde. Mais comment ce dispositif biohybride est-il mis en mouvement ?

Dans cette animation, le concept des biobots microscopiques imaginés par Taher Saif et son équipe est expliqué en détail, mais en anglais. On y voit le biobot « 1D » (il ne se déplace que dans une seule direction), avec sa tête head) et sa queue (tail), réalisé en polymère (PDMS). Il est enduit de fibrobectine qui agrège les cellules, les fibroblastes (en bleu) et les cardiomyocytes (en rouge), qui finissent par battre dans la bonne direction, générant une onde sur la queue (voir les explications dans la suite de l'article). Le design utilisé a fait l’objet de nombreuses études théoriques avant d’être adopté. © NewsAtIllinois, Youtube

Un corps en polymère mu par des cellules cardiaques de rats

Le corps du biobot est fait d'un polymère organominéral flexible : le polydiméthylsiloxane ou PDMS. Pour lui donner vie, des cellules contractiles ont été mises en culture à la jonction entre la tête et la queue, sur un revêtement de fibronectine. Les cardiomyocytes de rats se sont alors mis à battre. Au début, leurs mouvements étaient anarchiques puis, progressivement, les cellules cardiaques ont commencé à se contracter dans la même direction et en rythme. Elles ont ainsi participé à la production d'un mouvement ondulatoire transmis à la queue, et qui a permis au dispositif d'avancer.

Le mécanisme précis à la base de cette synchronisation spontanée n'est pas encore compris. Néanmoins, il a permis au biobot testé de nager à des vitesses oscillant entre 5 et 10 µm/s. Par la suite, un autre dispositif a été conçu. Il était cette fois équipé de deux flagelles, ce qui lui a permis d'atteindre une vitesse de nage de 81 µm/s.

Les chercheurs destinent leur création à des applications médicales ou environnementales. Lorsqu'ils auront trouvé un moyen pour diriger la navigation des biobots, ceux-ci pourraient par exemple être utilisés pour délivrer des médicaments, pratiquer des opérations microchirurgicales ou cibler des cellules cancéreuses. Cependant, il semble que ce ne soit pas encore pour demain.

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Des ingénieurs américains ont développé, selon eux, la première machine synthétique microscopique qui peut nager par elle-même, et ce grâce à des cellules cardiaques de rats. © Alex Jerez Roman, Beckman Institute for Advanced Science and Technology