Les bactéries peuvent se déplacer activement vers une source de nutriments – un phénomène connu sous le nom de chimiotaxie – et elles peuvent se déplacer collectivement dans un processus connu sous le nom d'essaimage. Des scientifiques chinois ont repensé la chimiotaxie collective en créant des modèles de nanonageurs artificiels à partir de nanoparticules d'or modifiées chimiquement et biochimiquement. Le modèle pourrait aider à comprendre la dynamique de la motilité chimiotactique dans un essaim bactérien, conclut l'étude publiée dans la revue Angewandte Chemie .

Qu'est-ce qui cause l'essaimage, et si un tel comportement collectif peut être traduit en systèmes intelligents artificiels, est actuellement un sujet de recherche scientifique intensive. Il est connu que les bactéries nageant dans un pack dense ressentent le liquide environnant différemment d'un nageur solitaire. Mais à quel point les nageurs sont accélérés en essaim, et quels autres facteurs jouent un rôle, n'est toujours pas clair. Le chimiste colloïdal Qiang He à l'Institut de technologie de Harbin, Chine, et ses collègues, ont maintenant construit un modèle artificiel simple de nanonageurs ressemblant à des bactéries. Ils ont observé un comportement chimiotactique actif et la formation des nageurs en un essaim en mouvement distinct.

Lui et ses collègues ont construit leurs nageurs artificiels à partir de minuscules sphères d'or. Avec une taille 40 fois plus petite qu'une bactérie habituelle, les nanoparticules d'or étaient inférieures à la limite de détection du microscope. Cependant, grâce à un phénomène de diffusion de la lumière appelé effet Tyndall, les scientifiques ont pu observer des changements plus importants dans la solution contenant des nageurs, même à l'oeil nu. En utilisant d'autres techniques d'analyse, ils ont également résolu la vitesse, orientation, et la concentration des particules dans les moindres détails.

Les scientifiques aiment travailler avec des nanoparticules d'or car les minuscules sphères forment une solution dispersée, sont facilement observables au microscope électronique, et les molécules peuvent s'y attacher relativement facilement. Lui et son équipe ont d'abord chargé la surface de grandes sphères de silice avec des particules d'or. Ensuite, ils ont attaché des brosses en polymère sur le côté exposé des sphères d'or. Ces brosses étaient constituées de chaînes polymères, et d'une longueur allant jusqu'à 80 nanomètres, ils ont rendu les particules d'or hautement asymétriques.

Les chercheurs ont dissous le support de silice et attaché une enzyme sur le côté exposé des sphères d'or afin que les nanoparticules résultantes soient recouvertes de brosses en polymère longues et épaisses d'un côté et de l'enzyme de l'autre. En présence d'oxygène, l'enzyme glucose oxydase décompose le glucose en un composé appelé acide gluconique.

Pour déterminer si les nanonageurs nageraient activement dans une direction donnée, les auteurs les ont placés à une extrémité d'un petit canal et ont placé une source de glucose permanente à l'autre extrémité. Comme les bactéries vivantes, les nageurs modèles ont voyagé activement le long du gradient de glucose vers la source de glucose. Ce fait à lui seul n'était pas surprenant car entraîné par des enzymes, les nageurs automoteurs sont connus par l'expérience et la théorie. Mais les auteurs pourraient également détecter un comportement d'essaimage. Les nanoparticules asymétriques se sont condensées en une phase distincte qui s'est déplacée collectivement le long du gradient de nutriments.

Les auteurs imaginent que les nanonageurs pourraient être développés davantage en tant que modèles physiques précieux et facilement accessibles pour étudier le comportement chimiotactique et essaimage des êtres vivants ou non vivants à l'échelle nanométrique.