Des écrans en bactérie

Des chercheurs viennent de réaliser l’exploit de fabriquer un panneau lumineux clignotant composé de… bactéries. À l’heure où tout le monde parle de pixels pour les télévisions, ordinateurs et autres appareils photo dernier cris, il est temps d’introduire la notion du « biopixels ».

Le magazine Nature a publié cette semaine un article présentant les travaux surprenants d’une équipe de chercheurs composée d’Arthur Prindle, Phillip Samayoa, Ivan Razinkov, Tal Danino, Lev S. Tsimring et de Jeff Hasty. Ils appartiennent tous à différents laboratoires de l’université de Californie à San Diego.

Cette équipe a réussi à fabriquer des panneaux lumineux composés de millions de bactéries capables de briller régulièrement et simultanément.

Pour parvenir à leurs fins, des protéines fluorescentes ont été attachées aux « horloges biologiques » de chacune des bactéries du dispositif. Celles-ci ont ensuite été divisées en une multitude de colonies. L’étape suivante a consisté à synchroniser toutes les horloges, permettant à toutes les cellules vivantes d'une même unité de produire de la lumière en même temps. Enfin, toutes les colonies ont été synchronisées entre elles.

Le résultat final permet d'obtenir des milliers d’ensembles bactériens, eux-mêmes composés de centaines d’unités vivantes, capables de briller en même temps. Il ne reste plus qu’à déposer ces unités lumineuses sur une plaque particulière et l’on obtient le panneau désiré.

Derrière cette apparente simplicité se cachent des mécanismes d’une complexité extrême, notamment en ce qui concerne la coordination des cellules vivantes entre elles. Les bactéries peuvent en effet synchroniser l'expression de certains gènes (dont ceux produisant des protéines fluorescentes) grâce à l'émission de signaux moléculaires, un processus très efficace à petite échelle.

En revanche, il ne fonctionne pas quand il s'agit d’harmoniser les mécanismes cellulaires de 60 millions d’organismes vivants. La dernière bactérie commencerait à produire de la lumière alors que la première se serait déjà illuminée plusieurs fois. Autre écueil, les clignotements risquent de ne pas être synchrones.

Pour résoudre ce problème, les bactéries ont été divisées en colonies, chacune étant hébergée dans une cellule du dispositif d’étude. Le fait de limiter l’espace abritant les bactéries rend la communication moléculaire efficace. La dernière étape a consisté à trouver une solution pour synchroniser tous les cellules du système expérimental entre elles. C’est là que les chercheurs se sont rendu compte que chaque colonie émettait du gaz.

Un gaz qui a été partagé entre toutes les cellules du dispositif au moyen d’une puce apte à gérer et diriger ces émanations. À partir de ce moment, toutes les unités bactériennes ont pu briller simultanément. Chaque colonie forme un point lumineux et correspond donc à un biopixel. La plus grosse puce est actuellement composée de 13.000 biopixels.

Des panneaux bactériens clignotants ! Pour quoi faire ?

Au-delà de l’exploit technique que représente cette découverte, les auteurs ont souligné l’utilité que pourrait avoir leur dispositif dans la vie de tous les jours. Les panneaux pourraient être employés en tant que biocapteurs. Ils permettraient de fournir des informations sur la présence ou l’absence de divers polluants, substances toxiques ou organismes pathogènes.

Tout dépendrait de la sensibilité des bactéries face à ces différents agents. L’importance et la vitesse de diminution du clignotement fourniraient alors des informations sur le niveau de toxicité de l’élément détecté en temps réel. Pour preuve, un dispositif permettant de déceler une contamination de l’air par de l’arsenic a déjà été développé. Les capteurs biologiques présenteraient un autre avantage non négligeable : ils permettraient de fonctionner continuellement dans le temps alors que de nombreux systèmes de détection chimique ne sont utilisables que ponctuellement.

Les scientifiques estiment qu’il faudra néanmoins 5 ans pour développer un biocapteur capable de tenir dans la main.

Les abeilles sont connues pour le rôle crucial qu’elles jouent dans la pollinisation de nos cultures.

Dans le futur, l’impact de certaines d’entre elles sur notre environnement pourrait s’étendre à d’autres domaines comme la gestion des déchets.

C’est ce qu’espère Debbie Chachra qui vient de présenter ses recherches dans l’édition du mois de décembre de la revue Scientific American. Un espoir basé sur l’étude des abeilles collètes, une famille possédant la capacité de produire du bioplastique, aussi résistant que celui que nous fabriquons et potentiellement dégradable par des bactéries.

Nos sols et nos mers sont pollués par de grandes quantités de plastiques non biodégradables. Pour ne citer qu’un exemple, la mer Méditerranée pourrait contenir à elle seule environ 250 milliards de fragments de plastique, soit environ 500 tonnes de matière, selon une estimation de l’Ifremer et de l’université de Liège parue en décembre 2010.

Ces fragments ne sont pas sans importance pour l’environnement marin puisqu’ils peuvent être ingérés par certains poissons et s’accumuler tout le long de la chaîne alimentaire.

Même si toutes les conséquences liées à l’ingestion de ces particules ne sont pas encore connues, il devient nécessaire de trouver de nouveaux matériaux dont la résistance serait similaire aux plastiques industriels mais qui présenteraient l’avantage d’être potentiellement biodégradables. La solution à ce problème complexe pourrait venir d’abeilles appartenant à la famille des Colletidae.

Qui sont ces abeilles collètes ?

Ces abeilles vivent principalement en solitaire dans l’hémisphère nord. Durant la reproduction, les femelles creusent des galeries avant d’y déposer leurs œufs. Afin de maintenir les œufs à l’abri des changements de température et de divers dangers (bactéries, parasites, champignons), les abeilles collètes (ou « polyester ») sécrètent un matériau ressemblant à de la cellophane.

Elles utilisent ce composé pour entourer la chambre du nid d’une coque de protection dans laquelle les larves vont pouvoir grandir et se développer en toute sécurité. C’est sur ces coques qu’une équipe du Franklin W. Olin College of Engineering (États-Unis), dont fait partie Debbie Chachra, base ses espoirs pour le développement d’un nouveau bioplastique.

Après s’être procuré des échantillons de ce biomatériau, les chercheurs ont pu se rendre compte de la résistance extrême des fibres composant la coque de protection : ils n’ont pas été capables de les rompre avec le matériel habituellement employé. C'est sur ce point que ce plastique se différencie de tous ceux qui ont été synthétisés par d'autres procédés.

Les chercheurs ont néanmoins pu observer que le matériau produit ne se compose pas uniquement de plastique. La synthèse de la coque protectrice se ferait en deux étapes.

Dans un premier temps, la chambre du nid est recouverte par des fibres de soies. Les molécules de plastique n'y sont ajoutées que dans un second temps. Le résultat donne un matériau ressemblant à de la fibre de verre.

Les différentes substances entrant dans la composition du bioplastique (principalement l'acide 18-hydroxyoctadécanoïque et l'acide 20-hydroxyéicosanoïque) sont sécrétées par une glande située sous l’abdomen des abeilles, selon Suzanne W. Batra du Beneficial Insect Introduction Laboratory (États-Unis).

Le bioplastique produit est dur et sa structure ne s’altère pas dans le temps. De plus, il est parfaitement imperméable.

Un bioplastique dur et durable, réellement biodégradable ?

Dans l’état actuel des choses, aucun procédé connu ne permet de décomposer ce bioplastique. C’est pourquoi Debbie Chachra et son équipe se sont tournés vers des bactériologistes.

Leur souhait : trouver une bactérie capable de décomposer le plastique fourni par les abeilles. Une telle découverte permettrait dès lors de pouvoir produire un grand nombre d’objets usuels à partir de plastiques biologiques non dégradables sans action bactérienne.

Une fois la durée de vie de l’objet passée, ils pourraient être digérés par les bactéries et les substances créées pourraient à nouveau être utilisées. Au final, l’emploi de ce type de bioplastiques potentiellement dégradables permettrait de diminuer le nombre de déchets plastiques mis en décharge.

Les résultats de cette équipe de chercheurs concernant les caractéristiques mécaniques du plastique produit par les abeilles n’ont pas encore été publiés mais il est certain que leurs travaux devront être suivis avec un grand intérêt.


Un article de Quentin Mauguit, publié par futura-sciences.com