La nature est pleine de motifs. Parmi eux se trouvent des motifs de carrelage, qui imitent ce que vous verriez sur un sol de salle de bain carrelé, caractérisé à la fois par des carreaux et des interfaces, comme le coulis, entre les deux. Dans la nature, la coloration d'une girafe est un exemple de motif de carrelage. Mais qu'est-ce qui fait que ces modèles naturels se forment ?

Une nouvelle étude de l'Université de l'Arizona utilise des bactéries pour comprendre comment les tuiles et les interfaces sont créées. Les résultats ont des implications pour comprendre à quel point la vie multicellulaire complexe a pu évoluer sur Terre et comment de nouveaux biomatériaux pourraient être créés à partir de sources biologiques.

Dans de nombreux systèmes biologiques, les motifs de carrelage sont importants sur le plan fonctionnel. Par exemple, les ailes d'une mouche ont des tuiles et des interfaces. Les veines, qui assurent la stabilité et contiennent les nerfs, sont des interfaces qui divisent une aile en tuiles plus petites. Et chez l'homme, la rétine à l'arrière de l'œil interne contient des cellules qui sont disposées comme une mosaïque de tuiles pour traiter ce qui se trouve dans notre champ de vision.

De nombreuses recherches ont examiné comment de tels modèles peuvent être établis par des interactions biochimiques. Cependant, des modèles peuvent également être établis par des interactions mécaniques. Ce processus n'est pas aussi bien compris.

Un nouvel article publié dans Nature jette un nouvel éclairage sur la formation de motifs mécaniques. Il était dirigé par Honesty Kim, ancien boursier postdoctoral de l'UArizona. Ingmar Riedel-Kruse, professeur associé au département de biologie moléculaire et cellulaire de l'UArizona, est l'auteur principal de l'article.

Le laboratoire Riedel-Kruse, en partenariat avec des chercheurs du département de mathématiques appliquées du Massachusetts Institute of Technology, a utilisé des bactéries pour modéliser la manière dont les motifs de pavage peuvent apparaître par le biais d'interactions mécaniques.

L'équipe a développé diverses molécules adhésives, ou collantes, qui ont été placées à la surface des cellules bactériennes, permettant à différents types de cellules de se coller ensemble de manière sélective. Lorsque ces bactéries altérées ont ensuite été placées sur une boîte de Pétri, les bactéries ont commencé à se développer les unes vers les autres. Chaque fois que deux types bactériens différents se rencontraient, une interface se formait ou non, selon que leurs molécules d'adhésion de surface étaient complémentaires ou non. Les interfaces mesuraient généralement un demi-millimètre de large et 3 à 10 millimètres de long, contenant des millions de bactéries. De nombreuses interfaces de ce type ont ensuite abouti à une variété de motifs de pavage complexes, en fonction des emplacements initiaux des bactéries sur la boîte de Pétri.

Les auteurs ont ensuite étudié quels types de motifs de pavage pouvaient être générés et s'il existait une logique sous-jacente. Ils ont découvert que seulement quatre molécules adhésives différentes suffisent pour créer n'importe quel motif de carrelage possible. Les motifs de mosaïque peuvent varier en forme, taille et position des interfaces.

"Nous l'avons prouvé mathématiquement avec le célèbre théorème de la carte à quatre couleurs, qui stipule qu'il ne faut pas plus de quatre couleurs pour s'assurer que deux pays qui se touchent sur une carte politique n'ont pas la même couleur", a déclaré Riedel-Kruse.

Les chercheurs ont ainsi généré de nombreux modèles différents, dont un qui utilisait des interfaces pour épeler "U of A" pour l'Université de l'Arizona.

Les idées proposées par le document peuvent finalement déboucher sur des applications pratiques.

Les scientifiques pourraient créer des biomatériaux à motifs - qui sont fabriqués à partir d'êtres vivants et pourraient se dégrader plus rapidement que les matériaux synthétiques tels que le plastique - avec les propriétés souhaitées. Par exemple, ils pourraient créer un matériau avec un motif spécifique qui pourrait contrôler la facilité avec laquelle le liquide s'écoule sur la surface du matériau.

"En utilisant la logique de cette recherche, la forme, la structure, l'élasticité et même la façon dont le fluide réagit - entrer dans le matériau ou être repoussé - peuvent être contrôlées", a déclaré Riedel-Kruse. "Ou envisagez des bio-usines microbiennes pour produire des médicaments et d'autres produits chimiques. Nous pourrions contrôler où différentes bactéries sont placées les unes par rapport aux autres pour exécuter différentes parties d'une réaction complexe."

Le fait que seulement quatre adhérences soient nécessaires pour créer pratiquement tous les motifs de pavage possibles offre également de nouvelles perspectives sur la façon dont la vie multicellulaire complexe pourrait avoir évolué sur Terre à partir de la vie unicellulaire.

"La découverte que quatre adhérences différentes sont tout ce qu'il faut pour créer des modèles de vie en mosaïque très diversifiés suggère qu'une fois suffisamment de composants adhésifs disponibles, la biologie du développement pourrait générer de nombreuses nouvelles formes", a déclaré Riedel-Kruse.