Un nouvel élastique s’étire, puis reprend sa forme et sa taille d’origine. De nouveau étiré, il fait de même. Mais que se passerait-il si l’élastique était fait d’un matériau qui se souvenait de la façon dont il avait été étiré ? Tout comme nos os se renforcent en réponse à un impact, les implants médicaux ou les prothèses composées d’un tel matériau pourraient s’adapter aux pressions environnementales telles que celles rencontrées lors d’un exercice intense.
Une équipe de recherche de l’Université de Chicago explore actuellement les propriétés d’un matériau présent dans les cellules qui permet aux cellules de se souvenir et de répondre à la pression environnementale. Dans un article publié le 14 mai 2021 dans Matière douce, ils ont dévoilé des secrets sur son fonctionnement et sur la manière dont il pourrait un jour constituer la base de la fabrication de matériaux utiles.
Les brins de protéines, appelés filaments d’actine, agissent comme des os dans une cellule, et une famille distincte de protéines appelées agents de réticulation maintient ces os ensemble dans un squelette cellulaire. L’étude a révélé qu’une concentration optimale d’agents de réticulation, qui se lient et se délient pour permettre à l’actine de se réorganiser sous pression, permet à cet échafaudage squelettique de se souvenir et de répondre à l’expérience passée. Cette mémoire matérielle est appelée hystérésis.
« Nos résultats montrent que les propriétés des réseaux d’actine peuvent être modifiées par la façon dont les filaments sont alignés », a déclaré Danielle Scheff, une étudiante diplômée du département de physique qui a mené la recherche dans le laboratoire de Margaret Gardel, professeur de physique Horace B. Horton. et le génie moléculaire, l’Institut James Franck et l’Institut de dynamique biophysique. « Le matériau s’adapte au stress en devenant plus résistant. »
Pour comprendre comment la composition de cet échafaudage cellulaire détermine son hystérésis, Scheff a mélangé un tampon contenant de l’actine, isolée du muscle de lapin, et des agents de réticulation, isolés de bactéries. Elle a ensuite appliqué une pression sur la solution, à l’aide d’un instrument appelé rhéomètre. S’ils étaient étirés dans une direction, les agents de réticulation permettaient aux filaments d’actine de se réarranger, se renforçant contre une pression ultérieure dans la même direction.
Pour voir comment l’hystérésis dépendait de la consistance de la solution, elle a mélangé différentes concentrations d’agents de réticulation dans le tampon.
De manière surprenante, ces expériences ont indiqué que l’hystérésis était la plus prononcée à une concentration optimale d’agent de réticulation ; les solutions présentaient une hystérésis accrue à mesure qu’elle ajoutait plus d’agents de réticulation, mais au-delà de ce point optimal, l’effet est redevenu moins prononcé.
Je me souviens d’avoir été au laboratoire la première fois que j’ai tracé cette relation et que j’ai pensé que quelque chose ne va pas, que j’ai couru vers le rhéomètre pour faire plus d’expériences pour vérifier. »
Danielle Scheff, étudiante diplômée
Pour mieux comprendre les changements structurels, Steven Redford, étudiant diplômé en sciences biophysiques dans les laboratoires de Gardel et Aaron Dinner, professeur de chimie, l’Institut James Franck et l’Institut de dynamique biophysique, a créé une simulation informatique du mélange de protéines Scheff produit en laboratoire. Dans ce rendu informatique, Redford exerçait un contrôle plus systématique sur les variables que ce qui était possible en laboratoire. En faisant varier la stabilité des liaisons entre l’actine et ses agents de réticulation, Redford a montré que la déliaison permet aux filaments d’actine de se réarranger sous pression, en s’alignant avec la contrainte appliquée, tandis que la liaison stabilise le nouvel alignement, fournissant au tissu une « mémoire » de cette pression. Ensemble, ces simulations ont démontré que les connexions impermanentes entre les protéines permettent l’hystérésis.
« Les gens pensent que les cellules sont très compliquées, avec beaucoup de rétroaction chimique. Mais il s’agit d’un système simplifié où vous pouvez vraiment comprendre ce qui est possible », a déclaré Gardel.
L’équipe s’attend à ce que ces découvertes, établies dans un matériau isolé des systèmes biologiques, se généralisent à d’autres matériaux. Par exemple, l’utilisation de réticulants éphémères pour lier les filaments polymères pourrait leur permettre de se réarranger comme le font les filaments d’actine, et ainsi produire des matériaux synthétiques capables d’hystérésis.
« Si vous comprenez comment les matériaux naturels s’adaptent, vous pouvez le transférer aux matériaux synthétiques », a déclaré Dinner.
La source:
Référence de la revue :
Scheff, RD, et al. (2021) L’alignement des filaments d’actine provoque une hystérésis mécanique dans les réseaux réticulés. Matière molle. doi.org/10.1039/d1sm00412c.
