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Des nouveaux matériaux créés avec des bactéries

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Au MIT, les chercheurs tentent de développer des matériaux combinant les propriétés du vivant et les atouts de l'univers du non-vivant, afin de mêler les capacités de multiplication et de réponse aux contraintes environnementales à la conduction électrique ou à l'émission de lumière.

En modifiant génétiquement les bactéries de manière à changer la production de leurs biofilms, les scientifiques parviennent à construire des nanomatériaux hybrides, mêlant les propriétés du vivant à celles du non-vivant. © Yan Liang

L'os est une structure particulière. Hautement minéralisé, ce qui lui confère sa solidité, il n'en reste pas moins en perpétuel mouvement du fait de l'activité de cellules vivantes qui régulent différents paramètres. Cette capacité d'unifier le tissu vivant et le non-vivant intéresse les scientifiques, qui espèrent créer des matériaux hybrides aux propriétés nouvelles. En effet, les cellules se multiplient et synthétisent des composants en fonction des conditions environnementales. Mais bien souvent, elles ne disposent pas des propriétés électroniques des composants métalliques par exemple.

Ne restait qu'à associer les deux, ce qui n'est pas une mince affaire. Mais Timothy Lu, chercheur au Massachusetts Institute of Technology (MIT) et ses collègues pensent avoir trouvé une solution en se servant des biofilms bactériens. Toute leur démonstration, assez complexe, est accessible dans la revue Nature Materials.

Bactéries génétiquement modifiées sous contrôle

Pour mieux affronter leur environnement, les bactéries se regroupent souvent en formant de vastes colonies protégées par une enveloppe de sucres, d'eau, et parfois d'ADN, que l'on appelle biofilms. Pour se coller les unes aux autres ainsi qu'à leur substrat, elles disposent donc de molécules adhésives. Chez la célèbre Escherichia coli, il existe des organelles (ou organites) conçues à cet effet, les fimbriae (ou curli), étant la résultante de la répétition de sous-unités protéiques appelées CSGA.

Les bactéries Escherichia coli constituent l’un des modèles bactériens les plus utilisés dans la recherche scientifique, parce qu’il est facile d’induire chez elle des mutations et de créer des souches génétiquement modifiées. © Janice Haney Carr, CDC, DP

Les chercheurs ont donc profité de ces propriétés pour effectuer quelques petits ajustements génétiques. Une souche spécialement créée par leurs soins ne produit ses curli qu'en présence d'une molécule nommée AHL. En fonction des doses injectées dans le milieu, les chercheurs sont en mesure de contrôler l'expression des fimbriae. Ils peuvent mélanger ces bactéries avec une autre population, également modifiée, produisant cette fois de la CSGA présentant des acides aminés appelés histidines, en fonction des concentrations dans une autre molécule régulatrice, ATC.

Les histidines ont la particularité de piéger les nanoparticules d’or. Ainsi, en jouant sur les taux d'AHL et d'ATC, les scientifiques peuvent à volonté contrôler la proportion de chaque curlus et ainsi créer des réseaux de nanoparticules d'or aux propriétés particulières. Ils peuvent faire de même avec d'autres molécules, comme des fibres curli marquées par la protéine SpyTag, qui se lie à la protéine SpyCatcher, permettant ainsi la formation de boîtes quantiques, c'est-à-dire des nanostructures de semi-conducteurs, conférant ainsi au réseau des propriétés électroniques, là encore sous la dépendance des chercheurs.

Des nouveaux matériaux à portée de main

D'autre part, dans une troisième partie de l'étude, les auteurs ont montré que les bactéries pouvaient également être utilisées comme régulateurs, en communiquant et échangeant avec leurs congénères et sécrétant dans le milieu des molécules comme l'AHL afin de contrôler la croissance des fimbriae de leurs pairs. Ou comment favoriser l'autorégulation.

En réalité, cette petite démonstration permet d'envisager une gamme bien plus vaste de matériaux, qui auront les caractéristiques qu'on choisira de leur donner. Ainsi, il est possible d'envisager de nouvelles cellules photovoltaïques, des matériaux autocicatrisants ou des capteurs plus sensibles. Ou plein d'autres composés encore. L'imagination des scientifiques est loin d'atteindre ses limites.

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