La nature est un excellent professeur, même pour les scientifiques des matériaux. Des chercheurs, y compris des scientifiques de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces, ont maintenant observé un mécanisme remarquable par lequel les matériaux polymères sont formés. Afin de capturer des proies, les vers de velours lancent une sécrétion collante qui se raidit en fils solides sous l'action de la force. Ce qui est extraordinaire avec ces fils, c'est qu'ils peuvent être dissous puis reformés à nouveau. Le fait que des fibres polymères réversibles puissent être tirées de la sécrétion précédemment liquide est un concept très intéressant pour les chercheurs. Il est fort possible qu'un jour il soit possible de synthétiser de nouveaux matériaux recyclables basés sur le principe des vers de velours.

Certains animaux produisent des matériaux étonnants. Soie d'araignée, par exemple, est plus solide que l'acier. Les moules sécrètent des fils de byssus, qu'ils utilisent pour s'accrocher fermement aux pierres sous l'eau. La matière sécrétée par les vers de velours n'est pas moins impressionnante. Ces petits animaux ressemblant à des vers, qui ressemble à un croisement entre un ver de terre et une chenille, vaporiser un liquide collant pour éloigner les ennemis ou attraper des proies particulièrement mortelles pour des proies comme les cloportes, grillons et araignées :Dès qu'ils essaient de sortir des fils gluants, leurs luttes font durcir les fils, ne laissant aucun espoir d'évasion.

"Les forces de cisaillement générées par les luttes de la proie font durcir la boue en filaments raides, " explique Alexander Bär, doctorant à l'Université de Kassel, qui étudie sous la direction de l'expert en ver de velours Georg Mayer. Afin d'étudier la bave d'une espèce de ver de velours australien, le biologiste a travaillé en étroite collaboration avec des chercheurs de l'Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces à Potsdam. Le chimiste Stephan Schmidt, par exemple, aujourd'hui professeur junior à l'Université Heinrich Heine de Düsseldorf, aidé à élucider la nanostructure de la boue. Un groupe de recherche dirigé par le biochimiste Matt Harrington du département des biomatériaux de l'Institut de Potsdam s'est concentré sur d'autres questions concernant la composition chimique et le traitement moléculaire. Le groupe interdisciplinaire de scientifiques s'est particulièrement intéressé à la façon dont la composition et la structure de la sécrétion changent au cours de la formation du fil.

Mélange gluant de protéines et d'acides gras

"Nous savions déjà que la bave est constituée principalement de grosses molécules de protéines et d'acides gras, " dit Alexander Bär. A l'Institut Max Planck de Potsdam, les chercheurs ont découvert que les protéines et les lipides se combinent pour former de minuscules globules. "Les vers de velours produisent les molécules de protéines et de graisse ainsi que d'autres composants séparément", Bär explique. "En dehors des cellules glandulaires, les nanoglobules se forment alors indépendamment pour créer les propriétés filantes et adhésives.

Les vers de velours stockent leur arme liquide jusqu'à ce qu'on en ait besoin. Ils tirent ensuite la bave sur leur proie ou leur ennemi à travers deux buses situées de chaque côté de leur tête au moyen de contractions musculaires. "Au début, la consistance collante ne change pas, " dit Bär. " Cependant, dès que la proie commence à se débattre, les forces de cisaillement agissent sur la boue pour rompre les nanoglobules. » Des études de spectroscopie vibratoire à Potsdam ont montré que les protéines et les acides gras se séparent au cours du processus. « Alors que les protéines forment de longues fibres à l'intérieur de la boue, les molécules de lipides et d'eau sont déplacées vers l'extérieur et forment une sorte de gaine, " explique Bär. Les chercheurs ont également découvert que le brin de protéine à l'intérieur avait une rigidité à la traction similaire à celle du nylon. Cela explique les performances remarquables des filaments.

Les fils polymérisés se dissolvent à nouveau dans l'eau

D'autres expériences ont montré que les fils de boue polymérisés peuvent être dissous à nouveau dans l'eau quelques heures après le séchage. "Ce qui est étonnant pour nous, c'est que les protéines et les lipides se mélangent à nouveau pour former les mêmes nanoglobules que nous avions déjà trouvés dans la bave d'origine, ", dit Matt Harrington. Les globules nouvellement formés de protéines et de lipides étaient même de taille similaire à ceux de la sécrétion naturelle. "Évidemment, un mécanisme d'auto-organisation est à l'œuvre que nous ne comprenons pas encore pleinement, " dit Harrington.

Une autre découverte surprenante est que des fils collants peuvent être à nouveau tirés de la boue récupérée. Et ils se sont comportés exactement comme une sécrétion de ver de velours fraîchement sécrétée sous l'influence des forces de cisaillement :ils ont durci. "C'est un bel exemple d'un processus de régénération entièrement réversible et indéfiniment répétable, " dit Matt Harrington. Curieusement, tout cela est accompli avec des biomolécules et à des températures ambiantes normales. Les vers de velours pourraient donc servir de modèle aux fabricants de polymères synthétiques et pourraient leur apprendre beaucoup sur la production durable de matériaux synthétiques.

Harrington est d'accord. Le biochimiste imagine bien qu'un jour on pourra synthétiser des macromolécules pour des applications industrielles de manière similaire à partir de matières premières renouvelables. Dans le cas de la soie d'araignée, il a déjà été possible de produire industriellement des protéines analogues et de fournir les fibres produites à partir de celles-ci à l'industrie du vêtement.

Comment les protéines et les molécules lipidiques sont-elles séparées ?

Un polymère qui se dissout dans l'eau, comme les fils solidifiés des vers de velours, serait probablement peu pratique. Mais le principe pourrait générer de nouvelles inspirations en science des matériaux, Matt Harrington croit. "À l'heure actuelle, la première étape est de mieux comprendre les mécanismes, " précise le spécialiste des biomatériaux, qui a maintenant commencé une chaire à l'Université McGill à Montréal. Par exemple, les scientifiques s'intéressent à la raison pour laquelle les forces de cisaillement mécaniques provoquent la séparation des protéines des molécules lipidiques en premier lieu. Ils souhaitent également déterminer les facteurs qui régissent la formation réversible de nanoglobules de taille uniforme. Une autre question sans réponse est de savoir comment les unités protéiques se combinent pour produire des fibres rigides sans former de liaisons chimiques fixes, dit le chercheur de Max Planck Harrington.