Parcelles du modèle du loxodrome, qui montre comment les sphères se transforment en une forme allongée. (Crédit image :Helen Ansell) Crédit :Helen Ansell
Des motifs complexes des grains de pollen aux spirales logarithmiques des coquilles de nautile, la biologie est pleine de modèles complexes, formes, et géométries. Beaucoup de ces structures complexes jouent un rôle important dans la fonction biologique, mais peut être difficile à créer dans un laboratoire sans équipement de pointe ou processus et matériaux coûteux et énergivores.
Une nouvelle étude décrit comment les sphères peuvent être transformées en fuseaux torsadés grâce aux connaissances des outils de navigation du XVIe siècle. Les chercheurs montrent comment les polymères peuvent se contracter en structures en spirale, connu sous le nom de loxodromes, qui ont des motifs complexes dix fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain. Publié dans Lettres d'examen physique , la recherche a été menée par Helen Ansell, étudiante diplômée de l'Université de Pennsylvanie, post-doctorant Daeseok Kim, et les professeurs Randall Kamien et Eleni Katifori à la School of Arts and Sciences, en collaboration avec Teresa Lopez-Leon de l'École Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI).
Kim, qui a travaillé sur ce projet à l'ESPCI avant de venir chez Penn, a été inspiré par d'autres études montrant qu'un mélange de polymère et de cristaux liquides prenait une nouvelle forme lorsqu'il était placé dans un solvant différent. C'était un changement qui était aussi réversible et reproductible, avec peu ou pas d'énergie nécessaire pour provoquer le changement de forme.
Pour comprendre les changements conformationnels intéressants que Kim avait vus en laboratoire, il a recherché des théoriciens qui pourraient aider à comprendre comment la géométrie du polymère l'a fait se tordre et se contracter. Après avoir vu les images microscopiques et les données collectées et analysées par Kim, Ansell eut une première idée de ce que pourrait être la structure du fuseau :un loxodrome.
Plus communément appelées lignes de rhumb, un loxodrome est un arc qui suit un angle constant lorsqu'il coupe une sphère. Les marins des XVIe et XIXe siècles utilisaient ces lignes pour naviguer, leur permettant de régler leur boussole sur un relèvement constant afin que leur navire n'ait pas à changer de relèvement.
"Nous avons essayé de savoir si c'était le cas, " Ansell dit à propos d'enquêter si son hypothèse était correcte. " Nous pensons que nous avons trouvé ces loxodromes, nous avons donc dû comparer à quoi cela ressemble par rapport aux données. »
Ansell a ensuite développé un modèle mathématique qui décrit comment les sphères s'allongent et se tordent en utilisant la géométrie du loxodrome comme point de départ. En comparant les résultats de sa théorie aux données générées par Kim, elle a pu montrer que le changement de solvant faisait rétrécir les polymères, ce qui a provoqué une torsion de sa forme lorsque les chaînes de polymère le long des lignes de longitude de la sphère sont devenues plus courtes.
Images au microscope électronique à balayage montrant des polymères dans une configuration sphérique (extrême gauche); lorsqu'un nouveau solvant est ajouté, les sphères se tordent et se transforment en fuseaux torsadés allongés (extrême droite). Au sommet des broches (panneau central) se trouvent des spirales d'un micron. (Image :Daeseok Kim) Crédit :Daeseok Kim
Au sommet des broches se trouvent des spirales d'un micron, près de cent fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. La création de modèles artificiels aussi petits nécessite généralement des méthodes et des équipements coûteux, mais cette méthode de fabrication de structures à petite échelle auto-assemblées en utilisant des matériaux de départ à l'échelle du cours est beaucoup plus simple.
Le loxodrome polymère est la dernière découverte qui explore les intérêts du groupe Kamien dans le croisement entre la chimie et la géométrie. Kamien dit que de nombreuses interactions en biologie, comme le repliement des protéines, réponses immunitaires, et même l'odeur, est généralement représenté comme une liaison chimique, mais souligne que la géométrie détermine également une grande partie de ce qui se passe en biologie.
"Pensez aux protéines, " dit Kamien, "Vous avez ces différents acides aminés, et ils attirent de différentes manières, mais quand tu as tout fini, tu as ce globe géant, et il y a cette petite poche qui attrape les résidus, donc vous y pensez géométriquement. L'explication d'Helen est complètement géométrique :elle n'implique rien de spécifique sur le fonctionnement de la reliure."
Pour Kim, cette recherche est une première étape passionnante pour l'étude de structures uniques dans d'autres systèmes biologiques. En concevant de nouveaux types de particules de polymère et en les testant dans différentes conditions, il espère en savoir plus sur le fonctionnement des commandes de forme, en particulier dans les systèmes qui se tordent et se contractent. "Nous pourrions étudier de la matière biologique dans la nature en imitant un modèle topologique similaire, " il dit, "Et nous pouvons résoudre ou étudier un problème complexe dans la nature."
Maintenant, tout à fait par hasard, Les efforts d'Ansell ont jeté les bases d'un autre projet sans rapport sur lequel elle était bloquée depuis un certain temps et qui semble également avoir une solution de loxodrome.
"Ils apparaissent juste, " dit-elle à propos de la forme du fuseau torsadé.
"Comme disait Pasteur, la chance favorise l'esprit préparé, " ajoute Kamien. " Maintenant, nous sommes prêts à les chercher."
