Les chercheurs de Princeton ont appris à exploiter l’échafaudage arachnéen qui maintient la structure des cellules vivantes et l’ont utilisé pour développer une plateforme nanotechnologique. Cette technique pourrait éventuellement conduire à des progrès dans la robotique douce, à de nouveaux médicaments et au développement de systèmes synthétiques pour le transport biomoléculaire de haute précision.

Dans un article intitulé "Construire des circuits cytosquelettiques sur puce via des réseaux de microtubules branchés" publié dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. , les chercheurs ont démontré une méthode qui leur permet de contrôler avec précision la croissance de réseaux de biopolymères comme ceux qui font partie du squelette cellulaire. Ils ont pu construire ces réseaux sur une micropuce, formant un type de circuit fonctionnant avec des signaux chimiques plutôt qu'électriques.

À l’intérieur des cellules, les protéines de tubuline forment de longs bâtonnets incroyablement fins appelés microtubules. Les réseaux de microtubules se développent comme les racines des arbres en systèmes de ramifications qui forment un élément principal du cytosquelette, qui donne leur forme aux cellules et leur permet de se diviser.

En plus d'aider à maintenir la forme d'une cellule, l'échafaudage microtubulaire fonctionne également comme un chemin de fer moléculaire. Des protéines motrices spécialisées transportent des charges moléculaires le long des filaments des microtubules. De légers changements dans la composition moléculaire des microtubules agissent comme des panneaux indicateurs pour ajuster la trajectoire des transporteurs chimiques, envoyant ainsi des charges moléculaires vers leurs destinations.

À Princeton, les questions sur ces réseaux intracellulaires ont conduit à une collaboration entre Sabine Petry, professeure agrégée de biologie moléculaire, et Howard Stone, professeur de génie mécanique et aérospatial spécialisé en mécanique des fluides.

"Les systèmes biologiques qui nous ont inspirés étaient les axones", a déclaré Meisam Zaferani, l'un des principaux chercheurs. "Les axones sont de longues protubérances sortant d'un neurone qui permettent un transport moléculaire dirigé."

Dans le système nerveux, les réseaux de microtubules fonctionnent à la fois comme des structures reliant les cellules nerveuses et comme un moyen permettant au système nerveux de transmettre des signaux chimiques qui produisent des sensations. Zaferani a déclaré que les scientifiques travaillent toujours à comprendre les éléments de la croissance des microtubules et leurs propriétés chimiques. Mais il a ajouté que l'équipe de recherche voulait savoir si elle pouvait exploiter les réseaux pour des applications pratiques.

"Les ingénieurs et les physiciens ont commencé à étudier les microtubules en tant que composants permettant de créer de nouveaux matériaux et technologies", a-t-il déclaré. "Il existe de nombreux mystères sur leurs propriétés fondamentales, mais nous en savons suffisamment pour commencer à réfléchir à la manière dont nous pourrions concevoir ces systèmes."

Avec le co-chercheur Ryungeun Song, Zaferani a travaillé à la création d'un système permettant de contrôler la croissance des microtubules dans les laboratoires des salles blanches du Princeton Materials Institute.

Grâce à des équipements spécialisés en micro/nanofabrication et en microfluidique, les chercheurs ont contrôlé avec précision la croissance des branches des microtubules. Ils ont pu ajuster l'angle et la direction de la croissance et créer des microstructures dans lesquelles la direction de la croissance des microtubules était régulée.

Zaferani a déclaré que l'Institut des matériaux offrait une combinaison unique d'équipements et d'expertise qu'il serait difficile de trouver ailleurs.

Les chercheurs prévoient de poursuivre en dirigeant la cargaison chimique le long des branches des microtubules. L’objectif est de construire un système de transport de produits chimiques contrôlable. Dans un effort connexe, ils examinent également l'utilisation de réseaux de microtubules comme outils tels que des micropinces qui exercent une force physique sur des objets incroyablement petits.

Le groupe de recherche de Petry collabore depuis longtemps avec Stone, professeur Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial, à l'intersection de la biologie et de la dynamique des fluides. Ils ont embauché Song, un ingénieur en mécanique qui s'était concentré sur la microfluidique dans ses études supérieures; et Zaferani, un biophysicien qui a étudié les signaux qui aident les spermatozoïdes des mammifères à se diriger vers un ovule.

Stone, qui collabore fréquemment avec des collègues en ingénierie et en sciences naturelles, a déclaré que le mélange d'expertises provenant de disciplines variées conduit souvent à des résultats remarquables.

"Je trouve très intéressant de trouver des problèmes impliquant la mécanique des fluides dans d'autres domaines", a-t-il déclaré. "Souvent, je trouve un sujet qui est mal compris par les scientifiques de l'autre côté et mal compris par moi-même, et ensemble nous travaillons pour le résoudre."

Plus d'informations : Meisam Zaferani et al, Création de circuits cytosquelettiques sur puce via des réseaux de microtubules ramifiés, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2315992121

Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par l'Université de Princeton