Dans ses premiers stades, bien avant qu'il ne pousse ses appendices caractéristiques, un embryon d'étoile de mer ressemble à une petite perle, tournant dans l'eau comme un roulement à billes miniature.

Maintenant, les scientifiques du MIT ont observé que lorsque plusieurs embryons d'étoiles de mer remontent à la surface de l'eau, ils gravitent les uns vers les autres et s'assemblent spontanément en une structure cristalline étonnamment organisée.

Encore plus curieux, ce "cristal vivant" collectif peut présenter une étrange élasticité, une propriété exotique par laquelle la rotation d'unités individuelles - dans ce cas, des embryons - déclenche des ondulations beaucoup plus importantes sur toute la structure.

Les chercheurs ont découvert que cette configuration cristalline ondulante peut persister pendant des périodes de temps relativement longues avant de se dissoudre à mesure que les embryons individuels mûrissent.

"C'est absolument remarquable - ces embryons ressemblent à de belles perles de verre, et ils remontent à la surface pour former cette structure cristalline parfaite", déclare Nikta Fakhri, professeure associée de développement de carrière Thomas D. et Virginia W. Cabot au MIT. "Comme une volée d'oiseaux qui peuvent éviter les prédateurs, ou voler plus facilement parce qu'ils peuvent s'organiser dans ces grandes structures, peut-être que cette structure cristalline pourrait avoir des avantages dont nous ne sommes pas encore conscients."

Au-delà de l'étoile de mer, dit-elle, cet assemblage de cristaux auto-assemblés et ondulants pourrait être appliqué comme principe de conception, par exemple dans la construction de robots qui se déplacent et fonctionnent collectivement.

"Imaginez la construction d'un essaim de robots mous et rotatifs qui peuvent interagir les uns avec les autres comme ces embryons", explique Fakhri. "Ils pourraient être conçus pour s'auto-organiser pour onduler et ramper dans la mer pour faire un travail utile. Ces interactions ouvrent une nouvelle gamme de physique intéressante à explorer."

Fakhri et ses collègues ont publié leurs résultats dans une étude parue aujourd'hui dans Nature .

Tourner ensemble

Fakhri dit que les observations de l'équipe sur les cristaux d'étoiles de mer étaient une "découverte fortuite". Son groupe a étudié le développement des embryons d'étoiles de mer, et plus particulièrement la division des cellules embryonnaires aux tout premiers stades.

"Les étoiles de mer sont l'un des systèmes modèles les plus anciens pour l'étude de la biologie du développement, car elles ont de grandes cellules et sont optiquement transparentes", explique Fakhri.

Les chercheurs observaient comment les embryons nagent à mesure qu'ils mûrissent. Une fois fécondés, les embryons grandissent et se divisent, formant une coquille qui produit ensuite de minuscules poils, ou cils, qui propulsent un embryon dans l'eau. À un certain point, les cils se coordonnent pour faire tourner un embryon dans une direction de rotation particulière, ou « chiralité ». Tzer Han Tan, l'un des membres du groupe, a remarqué que lorsque les embryons remontaient à la surface, ils continuaient à tourner l'un vers l'autre.

"De temps en temps, un petit groupe se réunissait et dansait en quelque sorte", explique Fakhri. "Et il s'avère qu'il existe d'autres organismes marins qui font la même chose, comme certaines algues. Nous avons donc pensé que c'était intrigant. Que se passe-t-il si vous en mettez beaucoup ensemble ?"

Dans leur nouvelle étude, elle et ses collègues ont fécondé des milliers d'embryons d'étoiles de mer, puis les ont regardés nager jusqu'à la surface de plats peu profonds.

"Il y a des milliers d'embryons dans un plat, et ils commencent à former cette structure cristalline qui peut devenir très grande", explique Fakhri. "Nous l'appelons un cristal parce que chaque embryon est entouré de six embryons voisins dans un hexagone qui se répète sur toute la structure, très similaire à la structure cristalline du graphène."

Cristaux tremblants

To understand what might be triggering embryos to assemble like crystals, the team first studied a single embryo's flow field, or the way in which water flows around the embryo. To do this, they placed a single starfish embryo in water, then added much smaller beads to the mix, and took images of the beads as they flowed around the embryo at the water's surface.

Based on the direction and flow of the beads, the researchers were able to map the flow field around the embryo. They found that the cilia on the embryo's surface beat in such a way that they spun the embryo in a particular direction and created whirlpools on either side of the embryo that then drew in the smaller beads.

Mietke, a postdoc in Dunkel's applied mathematics group at MIT, worked this flow field from a single embryo into a simulation of many embryos, and ran the simulation forward to see how they would behave. The model produced the same crystal structures that the team observed in its experiments, confirming that the embryos' crystallizing behavior was most likely a result of their hydrodynamic interactions and chirality.

In their experiments, the team also observed that once a crystal structure had formed, it persisted for days, and during this time spontaneous ripples began to propagate across the crystal.

"We could see this crystal rotating and jiggling over a very long time, which was absolutely unexpected," she says. "You would expect these ripples to die out quickly, because water is viscous and would dampen these oscillations. This told us the system has some sort of odd elastic behavior."

The spontaneous, long-lasting ripples may be the result of interactions between the individual embryos, which spin against each other like interlocking gears. With thousands of gears spinning in crystal formation, the many individual spins could set off a larger, collective motion across the entire structure.

The researchers are now investigating whether other organisms such as sea urchins exhibit similar crystalline behavior. They are also exploring how this self-assembling structure could be replicated in robotic systems.

"You can play with this design principle of interactions and build something like a robotic swarm that can actually do work on the environment," she says. + Explorer plus loin

Researchers build embryo-like structures from human stem cells

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