Lorsque l'intérieur d'une coquille de mollusque brille au soleil, l'irisation n'est pas produite par des pigments colorés mais par de minuscules structures physiques auto-assemblées à partir de cellules vivantes et de composants inorganiques. Maintenant, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a développé une plate-forme pour imiter cette capacité d'auto-assemblage en concevant des cellules vivantes pour servir de point de départ à la construction de matériaux composites.

Les matériaux vivants d'ingénierie (ELM) utilisent des cellules vivantes comme « échafaudages de matériaux » et constituent une nouvelle classe de matériaux qui pourraient ouvrir la porte à des matériaux d'auto-guérison et à d'autres applications avancées en bioélectronique, biodétection, et des matériaux intelligents. De tels matériaux pourraient imiter des propriétés émergentes trouvées dans la nature, où un système complexe a des propriétés que les composants individuels n'ont pas, telles que l'irisation ou la résistance.

Empruntant à cette complexité vue dans la nature, les chercheurs du Berkeley Lab ont conçu une bactérie qui peut attacher un large éventail de nanomatériaux à sa surface cellulaire. Ils peuvent également contrôler avec précision la composition et la densité des composants, créant un matériau vivant hybride stable. L'étude décrivant leur travail a été récemment publiée dans ACS Biologie Synthétique .

"Étant donné que l'ordre hiérarchique sous-tend les propriétés de nombreux matériaux biocomposites, être capable de réguler l'espacement des différents composants dans plusieurs dimensions est la clé pour concevoir des ELM prévisibles, " a déclaré Caroline Ajo-Franklin, un scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab qui a dirigé l'étude. "Notre nouvelle plate-forme offre un point de départ polyvalent qui ouvre un large éventail de nouvelles possibilités pour la construction d'ELM."

Les structures naturelles et les ELM qu'elles inspirent sont constituées de modèles hiérarchiques de matériaux. Cela signifie que pour un matériau composé de blocs de construction de taille régulière, chaque gros bloc est composé de blocs plus petits, et chacun des plus petits blocs est fait de pièces encore plus petites. Par exemple, les mollusques construisent leurs coquilles à partir de "plaquettes" ultrafines de seulement 500 nanomètres d'épaisseur, et chaque plaquette est constituée de millions de minuscules nanograins d'un diamètre de seulement 30 nanomètres.

Pour contrôler l'auto-assemblage de ces types de structures à la surface des cellules vivantes, Ajo-Franklin et son équipe ont profité des protéines de la couche de surface (S-Layer) pour former ordonné, structures en forme de feuille à la surface de nombreux microbes. "C'est la différence entre construire une fondation à partir d'une feuille solide qui se conforme à la surface de la cellule par rapport à un ensemble de cordes non ordonné, " dit Ajo-Franklin, qui détient également un poste conjoint dans la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée du Berkeley Lab dans le domaine des biosciences.

Les chercheurs ont choisi la bactérie Caulobacter crescentus car elle peut survivre à des conditions pauvres en nutriments et en oxygène, et sa protéine de couche S, RsaA, car il est très bien étudié. L'équipe a conçu RsaA avec un système biologique de « verrou et clé » pour contrôler avec précision où et comment densément les matériaux se fixent à la surface cellulaire.

"Nous avons construit un ensemble de bactéries qui peuvent attacher de manière irréversible une variété de matériaux durs ou mous comme des biopolymères ou des nanoparticules semi-conductrices à la surface cellulaire sans endommager les cellules, " a déclaré Marimikel Charrier, associé en ingénierie scientifique et auteur principal de l'étude. "Ce kit de construction vivant est une première étape fondamentale vers la création d'auto-assemblage, auto-guérison, biomatériaux hybrides."