Des fluides filandreux spécialisés circulent dans les articulations humaines et contribuent à constituer des substances telles que le mucus. Ces fluides contiennent de longs, des molécules flexibles comme des polymères ou des protéines, leur donnant la capacité de s'étirer et d'absorber les chocs.

Cependant, les scientifiques doivent encore comprendre pleinement comment ces fluides énigmatiques interagissent avec des structures biologiques à petite échelle. Les structures particulièrement intéressantes sont les cils - de minuscules projections ressemblant à des cheveux attachées à la membrane cellulaire, qui ondulent pour remplir des fonctions telles que l'élimination des contaminants des voies respiratoires. Ces interactions fluide-structure sont importantes pour comprendre précisément comment les cils se déplacent pour remplir leurs fonctions biologiques. Cependant, ces interactions se produisent à une si petite échelle qu'elles ont été difficiles à étudier expérimentalement.

Maintenant, Des chercheurs de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont identifié certaines caractéristiques clés de la façon dont ces fluides dits viscoélastiques s'écoulent autour des cils. Les fluides viscoélastiques sont visqueux, comme la mélasse, ainsi que extensible. L'étude, Publié dans Petit , suggère que c'est l'élasticité des fluides qui entraîne le mouvement modelé des cils, disent les chercheurs.

Entrer dans le monde du tout petit

Pour mettre en place leur expérience, les scientifiques ont creusé des microcanaux dans du verre de silice fondu. Ces canaux contenaient un ou deux poteaux cylindriques flexibles attachés à un côté du canal, qui représentait les cils.

Les scientifiques ont ensuite utilisé des pompes à seringue pour propulser une solution viscoélastique à travers les microcanaux de verre à une vitesse contrôlée avec précision. Le fluide expérimental contenait des micelles vermiformes (également appelées polymères vivants), qui sont des structures flexibles de la taille d'un micron qui imitent le mouvement des molécules biologiques présentes dans les fluides corporels humains.

Les chercheurs ont effectué une série de mesures, en utilisant trois microscopes distincts à haute puissance avec différentes techniques optiques pour capturer le comportement et les propriétés du fluide lorsqu'il interagit avec les poteaux.

D'abord, les scientifiques ont utilisé une méthode appelée vélocimétrie par images de microparticules pour enregistrer la vitesse du fluide lorsqu'il s'écoulait autour des poteaux. Ils ont observé que le fluide se déplaçait préférentiellement autour d'un côté des poteaux, laissant un fluide pratiquement stationnaire de l'autre côté. A certaines vitesses d'écoulement, cependant, le fluide du côté stationnaire a commencé à s'écouler dans un mouvement saccadé.

Au fur et à mesure que le fluide se déplaçait, le poste a commencé à osciller. "Un aspect important de l'étude était notre capacité à suivre attentivement les oscillations résultantes des poteaux en fonction du temps en utilisant la microscopie vidéo à haute vitesse, " a déclaré le Dr Simon Haward, le chef de groupe de l'unité.

En utilisant une méthode appelée microscopie à lumière polarisée à haute vitesse, ils ont également pu tracer les régions autour des poteaux cylindriques où les micelles en forme de ver s'étiraient de manière élastique, et pour corréler la quantité d'étirement avec la position des poteaux.

En interagissant avec le fluide, deux poteaux situés l'un à côté de l'autre se sont mis à osciller en synchronie presque parfaite, suggérant que l'élasticité du fluide médie le battement synchrone des cils d'une cellule, disent les chercheurs.

"La dynamique temporelle synchrone des postes est complètement impartie par le fluide lui-même, " a déclaré le Dr Cameron Hopkins, le premier auteur de l'étude. "Toutefois, cela ne se produit que dans des conditions spécifiques. Si on augmente le débit et donc l'influence de l'élasticité du fluide, alors on perd la régularité des oscillations et ça devient erratique."

Développer de nouveaux modèles biologiques

Avancer, les scientifiques espèrent étudier comment la modification de la flexibilité et des distances entre les poteaux cylindriques affectera leur comportement. Hopkins et ses collègues espèrent également répéter l'expérience dans un système plus grand avec jusqu'à vingt postes cylindriques pour émuler un ensemble de cils.

"Notre configuration expérimentale actuelle est une géométrie idéalisée - bien sûr, les vrais systèmes biologiques sont beaucoup plus compliqués, " a déclaré le professeur Amy Shen, le responsable de l'Unité Micro/Bio/Nanofluidique. "Ce modèle actuel est un tremplin vers quelque chose de plus complexe et de plus biologiquement pertinent."

Les chercheurs espèrent que d'autres recherches aideront à éclairer la physique du très petit et peut-être à donner un aperçu des mouvements dynamiques qui se produisent dans nos cellules mêmes.