Les bactéries et autres organismes unicellulaires ont développé des moyens sophistiqués pour naviguer activement sur leur chemin, bien qu’il s’agisse de structures relativement simples. Pour révéler ces mécanismes, des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation (MPI-DS) ont utilisé des gouttelettes d’huile comme modèle pour les micronageurs biologiques. Corinna Maass, chef de groupe au MPI-DS et professeure associée à l’Université de Twente, avec ses collègues, a étudié les stratégies de navigation des micronageurs dans plusieurs études : comment ils naviguent à contre-courant dans des canaux étroits, comment ils affectent mutuellement leur mouvement , et comment ils commencent collectivement à tourner pour se déplacer.
Pour survivre, les organismes biologiques doivent réagir à leur environnement. Alors que les humains ou les animaux possèdent un système nerveux complexe pour ressentir leur environnement et prendre des décisions conscientes, les organismes unicellulaires ont développé différentes stratégies. En biologie, les petits organismes tels que les parasites et les bactéries par exemple naviguent à travers des canaux étroits tels que les vaisseaux sanguins. Ils le font souvent de manière régulière et oscillante en fonction des interactions hydrodynamiques avec la paroi de confinement du chenal.
Dans nos expériences, nous avons pu confirmer le modèle théorique qui décrit la dynamique spécifique du micronageur en fonction de sa taille et des interactions avec la paroi du canal. »
Corinna Maass, chercheuse principale des études
Ces schémas de mouvements réguliers pourraient également être utilisés pour développer des mécanismes de délivrance ciblée de médicaments, voire de transport de marchandises à contre-courant, comme également indiqué dans une étude précédente.
Une traînée de combustible usé
Dans une autre étude, les chercheurs ont étudié comment les micronageurs en mouvement s’affectent mutuellement. Dans leur modèle expérimental, de petites gouttelettes d’huile dans une solution savonneuse se déplacent de manière autonome en dégageant de petites quantités d’huile générant une propulsion. Comme un avion laisse derrière lui des traînées de condensation, les micronageurs génèrent une trace de carburant usé qui peut repousser les autres. De cette façon, les micronageurs sont capables de détecter si un autre nageur s’est trouvé au même endroit peu de temps auparavant. « Il est intéressant de noter que cela provoque un mouvement d’auto-évitement chez les micronageurs individuels, alors qu’un ensemble d’entre eux entraîne la mise en cage de gouttelettes entre les traînées les unes des autres », rapporte Babak Vajdi Hokmabad, premier auteur de l’étude. La répulsion de la deuxième goutte sur la trajectoire d’une goutte précédente dépend de son angle d’approche et du temps passé après le premier nageur. Ces résultats expérimentaux confirment également les travaux théoriques sur le terrain, précédemment menés par Ramin Golestanian, directeur général du MPI-DS. La recherche a été menée dans le cadre du Max Planck Center for Complex Fluid Dynamic, un centre de recherche commun composé du MPI-DS, du MPI for Polymer Research et de l’Université de Twente.
Mouvement collectif par la coopération
Enfin, le groupe a également étudié le comportement hydrodynamique collectif de plusieurs micronageurs. Ils ont découvert que plusieurs gouttelettes peuvent former des amas qui commencent spontanément à flotter comme des aéroglisseurs ou à monter et à tourner comme des hélicoptères microscopiques. La rotation du cluster est basée sur un couplage coopératif entre les gouttelettes individuelles qui conduit à un comportement coordonné – bien que les gouttelettes individuelles ne comprennent pas à elles seules un tel mouvement. Ces arrangements représentent donc un autre principe physique de la façon dont les micronageurs sont capables de naviguer sur leur chemin – sans utiliser de cerveaux ou de muscles.
