De la plus petite cellule à l'homme, la plupart des organismes peuvent sentir leur densité de population locale et changer de comportement dans des environnements surpeuplés. Pour les bactéries et les insectes sociaux, ce comportement est appelé « détection de quorum ». Des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh ont utilisé la modélisation informatique pour imiter un tel comportement de détection de quorum dans les matériaux synthétiques, ce qui pourrait conduire à des dispositifs dotés d'une capacité d'auto-reconnaissance et d'autorégulation.

Les résultats sont basés sur la recherche sur les matériaux synthétiques biomimétiques par Anna C. Balazs, Professeur émérite de génie chimique et pétrolier, et associé post-doctoral Henry Shum, qui est maintenant professeur adjoint de mathématiques appliquées à l'Université de Waterloo. L'article, "Détection de quorum synthétique dans des colonies de microcapsules modèles, " est publié cette semaine dans la revue PNAS .

"Le quorum sensing (QS) est un comportement distinctif des organismes vivants qui leur permet d'initier un comportement spécifique uniquement lorsqu'un seuil critique de taille et de densité de population est dépassé, " a expliqué le Dr Balazs. " Cette conscience de soi réglable est apparente dans les macro-systèmes tels que les abeilles sélectionnant un site pour une nouvelle ruche, mais est vital pour les systèmes cellulaires comme les bactéries, qui produisent et sécrètent des molécules de signalisation qui agissent comme des « auto-inducteurs » une fois qu'une population spécifique est atteinte. La création d'une réponse biomimétique peut permettre aux matériaux synthétiques de « compter » efficacement ; c'est, de sentir et de s'adapter à leur environnement une fois qu'un seuil préprogrammé est atteint."

Dans un système biologique, les auto-inducteurs à faible concentration diffusent et ne déclenchent donc pas de réponse. D'où, le système est dans un état de type « arrêt ». Cependant, lorsque les cellules atteignent un nombre ou quorum déterminé, la production d'auto-inducteurs conduit à une détection et à une réponse. Cet état « on » augmente la production de la molécule de signalisation et active d'autres voies métaboliques déclenchées par QS, coordonner le comportement de la colonie.

"Toutefois, les auto-inducteurs ont tendance à maintenir l'état « on » une fois activé, de sorte que le système est moins sensible aux diminutions ultérieures de la population, " a déclaré le Dr Shum. " Pour que les matériaux autorégulants déterminent sans ambiguïté leur densité actuelle, nous avons modélisé une colonie de microcapsules immobiles qui libèrent des substances chimiques de signalisation dans un réseau "répressilateur", qui ne présente pas le même effet « mémoire ». Au lieu, nous avons découvert que des oscillations chimiques émergent dans la colonie de microcapsules dans des conditions analogues à l'obtention d'un quorum dans les systèmes biologiques."

Les chercheurs notent que leurs découvertes pourraient inspirer de nouveaux matériaux mécano-réactifs, tels que les gels polymères avec des éléments QS intégrés qui activeraient un certain comportement chimique lors de la compression, puis s'éteindre lorsqu'il est étiré, ou lorsqu'une température spécifique est atteinte.

"Par exemple, vous pourriez avoir une peau robotisée qui se solidifie pour se protéger à une certaine température, puis redevient "spongieux" lorsque la température chute à un niveau nominal, " ajoute le Dr Balazs. " Bien que notre travail soit informatique, les résultats montrent que la création de matériaux synthétiques auto-reconnaissants et autorégulants est possible."