Des scientifiques de la TU Delft ont découvert comment les cellules de microalgues confinées se développent de manière optimale dans des matériaux vivants photosynthétiques. Grâce à l'utilisation de l'énergie lumineuse, les microalgues convertissent le CO2 de l'air en sucres, en énergie et en oxygène pour leur survie. De tels matériaux vivants à base d'algues pourraient être utilisés dans une gamme d'applications, allant des objets fonctionnels pour le CO2 capture, aux sources d'oxygène pour les tissus biologiques.
L'équipe, dirigée par Marie-Eve Aubin-Tam et Kunal Masania, a présenté ses nouvelles connaissances dans Advanced Materials .
"Les matériaux vivants d'ingénierie (ELM) constituent une nouvelle classe passionnante de matériaux qui ont le potentiel de révolutionner la société", explique le biophysicien Aubin-Tam. "Un exemple est celui des matériaux vivants photosynthétiques, dans lesquels se développent des organismes qui effectuent activement la photosynthèse."
Dans la nature, de nombreuses bactéries, algues et plantes effectuent la photosynthèse; ils absorbent du CO2 , de l'eau et de la lumière et produisent des sucres pour survivre. "Nous avons étudié les ELM avec des algues photosynthétiques, qui pourraient à terme être utilisées pour fournir de l'oxygène aux tissus biologiques ou modifiés, où l'apport d'oxygène est souvent un facteur limitant la croissance." L'ingénierie artificielle des tissus biologiques est particulièrement importante compte tenu du besoin croissant de transplantations d'organes.
"Une limitation principale qui empêche l'utilisation de ces matériaux à plus grande échelle est que nous ne savons pas actuellement comment contrôler la croissance des cellules dans ces matériaux. C'est ce que nous avons étudié. Nous avons étudié comment la croissance des cellules est affecté par la forme du matériau, l'exposition à la lumière et l'accès aux nutriments et au CO2 ", dit Aubin-Tam.
"Nous avons également pu montrer que les cellules se développaient principalement le long des bords du matériau, où elles ont un meilleur accès à l'air et à la lumière", ajoute Jeong-Joo Oh, premier auteur de l'article. Les chercheurs ont découvert qu’une structure mince avec une grande surface augmente l’efficacité des ELM. Dans ceux-ci, une partie relativement importante des cellules se trouve le long des bords et donc à proximité de l'air.
Il est intéressant de noter que la nature est arrivée à la même conclusion, car la croissance cellulaire de l’orme correspond à la structure de la feuille d’une plante. Les feuilles présentent une structure mince avec une grande surface pour permettre à une grande partie des cellules d'être exposées au soleil.
"Dans nos résultats, nous illustrons que l'accessibilité à la lumière et au CO2 C est la clé. L'introduction d'une petite ouverture pour l'échange gazeux dans les structures a visiblement amélioré la croissance cellulaire dans les couches internes. Cela se fait cependant au prix d'une déshydratation accélérée, ce qui n'est finalement pas bon pour les cellules", explique Masania, spécialiste des matériaux.
Ce comportement est également analogue à la nature. Les feuilles ont de très petits trous, appelés stomates. "Telles des portes, les feuilles ouvrent leurs stomates pour améliorer les échanges gazeux tout en ne laissant pas s'échapper trop d'eau. Des mécanismes qui répondent à une pénurie de CO2 , comme les stomates d'une feuille, seraient très bénéfiques pour les ELM photosynthétiques et augmenteraient leur longévité et leur efficacité à l'avenir", explique Masania.
Dans cette recherche, l’équipe a étudié différentes formes de matériaux et leur influence sur la croissance des cellules. "Pour permettre cela, il nous fallait concevoir une nouvelle composition de l'encre, la matière qui sort de l'imprimante. Nous recherchions une nouvelle encre qui nous permettrait d'imprimer des objets plus grands et plus complexes", explique Aubin-Tam.
Alors que son groupe de la Faculté des sciences appliquées étudiait la croissance des cellules, Masania, de la Faculté de génie aérospatial, a décidé de contribuer au développement d'une nouvelle encre imprimable en 3D. En collaboration avec Elvin Karana de la faculté d'ingénierie de conception industrielle, ils ont exploré les possibilités de produire des structures 3D de matériaux photosynthétiques vivants pour des applications futures.
"L'étude de la croissance cellulaire au sein des ELM est cruciale pour leur utilisation efficace et leur fonctionnalité optimisée", conclut Aubin-Tam. "Nous espérons que nos travaux motiveront les biologistes, les scientifiques des matériaux, les informaticiens et les ingénieurs à approfondir leurs recherches sur la croissance cellulaire et les propriétés de cette nouvelle classe de matériaux."
Plus d'informations : Jeong-Joo Oh et al, Croissance, distribution et photosynthèse de Chlamydomonas Reinhardtii dans des hydrogels 3D, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202305505
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Université de technologie de Delft
