Une équipe de scientifiques internationaux dirigée par l'Université de Bristol s'intéressant aux technologies de la protovie, a publié aujourd'hui des recherches qui ouvrent la voie à la construction de nouveaux dispositifs semi-autonomes avec des applications potentielles dans la robotique douce miniaturisée, la détection à micro-échelle et la bio-ingénierie.

Les micro-actionneurs sont des dispositifs qui peuvent convertir des signaux et de l'énergie en mouvement mécanique dans des structures à petite échelle et sont importants dans un large éventail de technologies avancées à micro-échelle.

Normalement, les micro-actionneurs s'appuient sur des modifications externes des propriétés globales telles que le pH et la température pour déclencher des transformations mécaniques répétables. Maintenant, dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui dans Chimie de la nature , Le professeur Stephen Mann de l'École de chimie de l'Université de Bristol, et le Max Planck Bristol Center for Minimal Biology avec ses collègues Drs Ning Gao, Mei Li, Liangfei Tian, Avinash Patil et Pavan Kumar du Bristol Center for Protolife Research démontrent une nouvelle approche qui utilise les changements internes comme déclencheurs d'un mouvement basé sur le signal.

Dans une série d'expériences, les chercheurs ont réussi à intégrer des dizaines de milliers d'entités artificielles ressemblant à des cellules (protocellules) dans des filaments hélicoïdaux d'un hydrogel polysaccharidique pour produire de minuscules ressorts autonomes qui sont alimentés chimiquement de l'intérieur.

L'équipe a d'abord chargé les protocellules avec de l'uréase, une enzyme qui génère des ions carbonate lorsqu'elle est alimentée en urée, puis a capturé les cellules artificielles dans un jet tordu d'hydrogel d'alginate de calcium à l'aide d'un dispositif microfluidique de fabrication artisanale.

Ils ont découvert que les filaments hélicoïdaux commencent à se dérouler dans l'eau lorsque l'uréase est allumée, et que la vitesse de l'extension dans le sens de la longueur augmentait à mesure que davantage d'ions carbonate s'échappaient des protocellules dans l'hydrogel environnant.

Le couplage de l'activité chimique endogène au mouvement mécanique a été associé à la rupture des réticulations dans l'hydrogel en raison de l'élimination des ions calcium par formation sur place de particules de carbonate de calcium, ce qui a conduit à la libération lente d'énergie élastique dans les microstructures en forme de ressort.

Inversement, la récupération des ions calcium en dissolvant les particules de carbonate de calcium à l'aide d'une deuxième population de protocellules contenant de la glucose oxydase productrices d'acide placées à l'extérieur des filaments a inversé le déroulement et rétabli le pas hélicoïdal d'origine des ressorts autonomes.

Sur la base de ces observations, les chercheurs ont utilisé les filaments hélicoïdaux des protocellules comme arbre d'entraînement pour effectuer un travail mécanique alimenté par les protocellules. Pour ça, ils ont attaché une seule protocellule "géante" à chaque extrémité de l'hydrogel enroulé et ont exploité les minuscules haltères comme micro-actionneurs autonomes (voir image). L'activité d'uréase dans les deux protocellules géantes était suffisante pour provoquer une extension latérale de l'haltère. Le mouvement pourrait être réduit si l'une des protocellules géantes attachées contenait de la glucose oxydase, qui a fonctionné pour restaurer le calcium perdu dans le connecteur d'hydrogel. De cette façon, une gamme de différents modes de transduction chimico-mécanique pourrait être programmée dans les micro-actionneurs par traitement embarqué des signaux chimiques.

Professeur Stephen Mann, co-directeur du Max Planck Bristol Centre for Minimal Biology (MPBC) à Bristol, a déclaré :« Nous avons un intérêt de longue date pour les technologies de protovie. Un défi clé est de savoir comment interfacer les communautés de protocellules avec leur environnement pour produire des relations fonctionnelles. Le nouveau travail constitue un pas dans cette direction car il illustre comment les processus chimiques endogènes peuvent être couplés à leur environnement sous tension pour produire un micro-système chimio-mécanique programmable".

Dr Ning Gao, également à la MPBC et à la School of Chemistry de l'Université de Bristol a ajouté:"Nous espérons que notre approche motivera la fabrication de nouveaux types de microstructures adaptatives souples qui fonctionnent via des niveaux d'autonomie accrus."