La nature regorge d'exemples de vie combinant des composés organiques et inorganiques pour fabriquer de meilleurs matériaux. Les mollusques développent des coquilles constituées de carbonate de calcium entrelacé avec une petite quantité de composants organiques, résultant en une microstructure trois fois plus résistante que le carbonate de calcium seul. Nos propres os sont un mélange de collagène organique et de minéraux inorganiques composés de divers sels.

L'exploitation de telles capacités de construction chez les bactéries aurait de nombreux avantages par rapport aux procédés de fabrication actuels. Dans la nature, la fabrication biologique utilise très efficacement les matières premières et l'énergie. Dans ce système synthétique, par exemple, peaufiner les instructions de croissance pour créer différentes formes et motifs pourrait théoriquement être beaucoup moins cher et plus rapide que de couler les nouvelles matrices ou moules nécessaires à la fabrication traditionnelle.

"La nature est passée maître dans la fabrication de matériaux structurés constitués d'éléments vivants et non vivants, " a dit You. " Mais il est extraordinairement difficile de programmer la nature pour créer des modèles auto-organisés. Ce travail, cependant, est une preuve de principe que ce n'est pas impossible."

Le circuit génétique est comme un ensemble biologique d'instructions que les chercheurs intègrent dans l'ADN d'une bactérie. Les instructions indiquent d'abord aux bactéries de produire une protéine appelée T7 ARN polymérase (T7RNAP), qui active alors sa propre expression dans une boucle de rétroaction positive. Il produit également une petite molécule appelée AHL qui peut se diffuser dans l'environnement comme un messager.

Au fur et à mesure que les cellules se multiplient et se développent vers l'extérieur, la concentration de la petite molécule messagère atteint un seuil de concentration critique, déclenchant la production de deux autres protéines appelées lysozyme T7 et curli. Le premier inhibe la production de T7RNAP tandis que le second agit comme une sorte de velcro biologique qui peut s'accrocher aux composés inorganiques.

L'interaction dynamique de ces boucles de rétroaction provoque la croissance de la colonie bactérienne en forme de dôme jusqu'à ce qu'elle manque de nourriture. Cela amène également les bactéries à l'extérieur du dôme à produire le velcro biologique, qui s'accroche aux nanoparticules d'or fournies par les chercheurs, formant une coquille de la taille de votre tache de rousseur moyenne.

Les chercheurs ont pu modifier la taille et la forme du dôme en contrôlant les propriétés de la membrane poreuse sur laquelle il se développe. Par exemple, changer la taille des pores ou combien la membrane repousse l'eau affecte le nombre de nutriments transmis aux cellules, modifier leur schéma de croissance.

"Nous démontrons une façon de fabriquer une structure 3D entièrement basée sur le principe de l'auto-organisation, " a déclaré Stefan Zauscher, le professeur de la famille Sternberg en génie mécanique et science des matériaux à Duke. "Cette structure 3-D est ensuite utilisée comme un échafaudage pour générer un dispositif aux propriétés physiques bien définies. Cette approche est inspirée de la nature, et parce que la nature ne le fait pas toute seule, nous avons manipulé la nature pour le faire à notre place."

Pour montrer comment leur système pourrait être utilisé pour fabriquer des appareils fonctionnels, les chercheurs ont utilisé ces structures hybrides organiques/inorganiques comme capteurs de pression. Des réseaux identiques de dômes ont été développés sur deux surfaces de substrat. Les deux substrats ont ensuite été pris en sandwich de sorte que chaque dôme soit positionné directement en face de son homologue sur l'autre substrat.

Chaque dôme a ensuite été connecté à une ampoule LED via un câblage en cuivre. Lorsqu'une pression a été appliquée sur le sandwich, les dômes pressés l'un dans l'autre, provoquant une déformation entraînant une augmentation de sa conductivité. Cette, à son tour, fait que les ampoules LED correspondantes s'éclaircissent d'une certaine quantité en fonction de la quantité de pression appliquée.

"Dans cette expérience, nous nous concentrons principalement sur les capteurs de pression, mais le nombre de directions que cela pourrait prendre est vaste, " dit Will (Yangxiaolu) Cao, un associé postdoctoral dans le laboratoire de You et premier auteur de l'article. « Nous pourrions utiliser des matériaux biologiquement réactifs pour créer des circuits vivants. Ou si nous pouvions maintenir les bactéries en vie, vous pourriez imaginer fabriquer des matériaux qui pourraient se guérir et répondre aux changements environnementaux. »

« Un autre aspect qui nous intéresse est de savoir comment générer des modèles beaucoup plus complexes, "                                                                                  . nous ne savons tout simplement pas comment leur faire faire cela nous-mêmes, pour l'instant."