Un nouvel élastique s'étire, mais reprend ensuite sa forme et sa taille d'origine. étiré à nouveau, ça fait pareil. Mais que se passerait-il si l'élastique était fait d'un matériau qui se souvenait de la façon dont il avait été étiré ? Tout comme nos os se renforcent en réponse à l'impact, les implants médicaux ou les prothèses composés d'un tel matériau pourraient s'adapter aux pressions environnementales telles que celles rencontrées lors d'un exercice intense.

Une équipe de recherche de l'Université de Chicago explore actuellement les propriétés d'un matériau présent dans les cellules qui permet aux cellules de se souvenir et de répondre à la pression environnementale. Dans un article publié le 14 mai, 2021 en Matière douce, ils ont dévoilé des secrets sur son fonctionnement et sur la façon dont il pourrait un jour constituer la base de la fabrication de matériaux utiles.

brins de protéines, appelés filaments d'actine, agissent comme des os dans une cellule, et une famille distincte de protéines appelées agents de réticulation maintient ces os ensemble dans un squelette cellulaire. L'étude a révélé qu'une concentration optimale d'agents de réticulation, qui se lient et se délient pour permettre à l'actine de se réarranger sous pression, permet à cet échafaudage squelettique de se souvenir et de répondre à l'expérience passée. Cette mémoire matérielle est appelée hystérésis.

"Nos résultats montrent que les propriétés des réseaux d'actine peuvent être modifiées par la façon dont les filaments sont alignés, " a déclaré Danielle Scheff, un étudiant diplômé du Département de physique qui a mené les recherches dans le laboratoire de Margaret Gardel, Horace B. Horton Professeur de physique et de génie moléculaire, l'Institut James Franck, et l'Institut de dynamique biophysique. "Le matériau s'adapte au stress en devenant plus résistant."

Pour comprendre comment la composition de cet échafaudage cellulaire détermine son hystérésis, Scheff a mélangé un tampon contenant de l'actine, isolé du muscle de lapin, et réticulants, isolé des bactéries. Elle a ensuite appliqué une pression sur la solution, à l'aide d'un instrument appelé rhéomètre. Si étiré dans une direction, les agents de réticulation ont permis aux filaments d'actine de se réarranger, renforcement contre les pressions ultérieures dans la même direction.

Pour voir comment l'hystérésis dépend de la consistance de la solution, elle a mélangé différentes concentrations d'agents de réticulation dans le tampon.

Étonnamment, ces expériences ont indiqué que l'hystérésis était la plus prononcée à une concentration optimale d'agent de réticulation; les solutions présentaient une hystérésis accrue à mesure qu'elle ajoutait plus d'agents de réticulation, mais passé ce point optimal, l'effet est redevenu moins prononcé.

"Je me souviens avoir été au labo la première fois que j'ai comploté cette relation et que j'ai pensé que quelque chose ne va pas, courir vers le rhéomètre pour faire plus d'expériences pour vérifier, " a déclaré Scheff.

Pour mieux comprendre les changements structurels, Steven Redford, un étudiant diplômé en sciences biophysiques dans les laboratoires de Gardel et Aaron Dinner, Professeur de chimie, l'Institut James Franck, et l'Institut de dynamique biophysique, a créé une simulation informatique du mélange de protéines que Scheff a produit en laboratoire. Dans ce rendu informatique, Redford exerçait un contrôle plus systématique sur les variables que ce qui était possible en laboratoire. En faisant varier la stabilité des liaisons entre l'actine et ses agents de réticulation, Redford a montré que la déliaison permet aux filaments d'actine de se réarranger sous pression, s'alignant avec la contrainte appliquée, tandis que la reliure stabilise le nouvel alignement, fournissant au tissu une "mémoire" de cette pression. Ensemble, ces simulations ont démontré que les connexions impermanentes entre les protéines permettent l'hystérésis.

"Les gens pensent que les cellules sont très compliquées, avec beaucoup de rétroaction chimique. Mais il s'agit d'un système dépouillé où vous pouvez vraiment comprendre ce qui est possible, " dit Gardel.

L'équipe s'attend à ces résultats, établi dans un matériau isolé des systèmes biologiques, généraliser à d'autres matériaux. Par exemple, l'utilisation de réticulants impermanents pour lier les filaments polymères pourrait leur permettre de se réarranger comme le font les filaments d'actine, et ainsi produire des matériaux synthétiques capables d'hystérésis.

"Si vous comprenez comment les matériaux naturels s'adaptent, vous pouvez le reporter sur des matières synthétiques, " dit Dîner.