La complexité de la vie sur terre découlait de la simplicité : des premières protocellules à la croissance de tout organisme, les cellules individuelles s’agrègent en amas de base, puis forment des structures plus complexes. Les premières cellules manquaient de machinerie biochimique compliquée; pour évoluer vers des organismes multicellulaires, des mécanismes simples étaient nécessaires pour produire des signaux chimiques qui incitaient les cellules à se déplacer et à former des colonies.
La reproduction de ce comportement dans des systèmes synthétiques est nécessaire pour faire progresser des domaines tels que la robotique douce. Des chercheurs en génie chimique de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh ont établi cet exploit dans leur dernière avancée en matière de biomimétisme.
La recherche, « Comportement réaliste des capsules mobiles à oscillation chimique », a été publiée dans la revue Elsevier Matter (doi.org/10.1016/j.matt.2022.06.063). L’auteur principal est Oleg E. Shklyaev, associé postdoctoral avec Anna Balazs, professeur émérite de génie chimique et pétrolier et titulaire de la chaire d’ingénierie John A. Swanson.
« Nous avons utilisé un modèle informatique impliquant des capsules rouges, bleues et vertes. Avec l’ajout de réactifs appropriés, chaque capsule déclenche l’une des trois réactions interconnectées qui convertissent les réactifs en produits. Si le volume des réactifs est différent des produits (comme c’est le cas souvent le cas dans les réactions biocatalytiques), le fluide va englober des gradients de densité, qui génèrent spontanément des forces de flottabilité, forces qui entraînent l’écoulement de la solution environnante et propulsent les capsules immergées.
En raison de ce comportement dynamique, les capsules connaissent toujours de nouveaux environnements chimiques et voisins. Si les capsules en mouvement sont trop éloignées les unes des autres, la « mise en réseau » équivaut à un échange de signaux chimiques constants, permettant aux capsules de « connaître » la présence des autres », explique Shklyaev. « Si, toutefois, le flux amène les trois différents types de capsules suffisamment proches les unes des autres, leurs « communications » chimiques s’enchevêtrent, conduisant la « triade » à subir des oscillations chimio-mécaniques spatiales et temporelles.
À savoir, le système simple qui comportait initialement un échange de signaux chimiques indépendant du temps, s’auto-organise en une colonie qui affiche des oscillations chimio-mécaniques, similaires aux oscillations de l’AMPc chimioattractant dans les colonies d’amibe ou même aux battements périodiques d’un cœur vivant. . Le système montre une autonomie réaliste car le « carburant » pour le mouvement des capsules est auto-généré et à son tour, le mouvement spontané du fluide déclenche les communications et les oscillations biomimétiques et collectives des capsules. Avec des réactifs pour déclencher la catalyse, le reste des processus est accompli par le système lui-même.
Les réactions interdépendantes spécifiques agissant sur les capsules modèles forment une boucle de rétroaction négative bio-inspirée (le « répressilateur »), où chaque capsule supprime la production chimique par la suivante dans la boucle. Le modèle de répressilateur a été utilisé pour simuler avec succès et mieux comprendre la communication (quorum sensing) dans les colonies de bactéries. Dans l’état « dormant », lorsque les capsules sont suffisamment éloignées les unes des autres, les capsules couplées via la boucle de rétroaction ne présentent pas d’oscillations, mais produisent plutôt une sortie chimique constante et un mouvement de translation à travers le fluide. Finalement, les capsules en mouvement entrent en contact avec de nouveaux voisins et forment une colonie qui présente une réponse collective biomimétique : un signal chimique oscillatoire accompagné des oscillations mécaniques des parties constituantes.
Balazs note que bien que leur système de microcapsules n’englobe aucun motif, il semble reproduire les fonctions biologiques fondamentales en raison des règles simples imposées au système et de l’introduction de réactifs (nutriments) dans la solution. En d’autres termes, les oscillations chimio-mécaniques apparemment complexes peuvent résulter de mécanismes simples qui se produisent de manière inhérente dans les solutions chimiques.
« Lors du développement de systèmes distants et de minuscules machines, vous voulez que les systèmes soient aussi autonomes que possible, fonctionnant sans avoir besoin de programmation et de matériel complexes », a-t-elle déclaré. « Nous avons montré que des processus chimiques simples couplés à des forces de flottabilité, qui surviennent naturellement dans des solutions chimiques, donnent aux particules des instructions pour former des systèmes et des mouvements complexes, potentiellement, tout comme avec les premières formes de vie. »
