Hydrogels Bactériens
Des gels adaptatifs actifs avec des organismes vivants.
Nous révélons enfin le monde merveilleux des matériaux vivants : des substances élaborées par la main humaine, qui imitent les organismes vivants. Ici, un hydrogel souple réalisé à partir de bactéries vivantes a la capacité de détecter son environnement pour influencer les propriétés du matériau. Avez-vous déjà fait de la kombucha ? Le processus est très similaire. Il s'agit d'un matériau vivant polyvalent aux applications diverses, qui se décompose complètement une fois qu'il n'est plus nécessaire.
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Propriétés
Qu'est-ce qui les distinguent du reste ?
Développement dans des conditions ordinaires
Les organismes vivants, tels que les bactéries, possèdent la capacité remarquable de se développer dans une grande variété de formes complexes, dont la structure se construit au fur et à mesure de leur croissance. Contrairement à de nombreux matériaux contemporains dont la production nécessite des températures élevées et des produits chimiques agressifs, les systèmes vivants s’épanouissent et évoluent dans des conditions ordinaires.
© By Samuel Wantman/Wikimedia Commons. CC BY SA 3.0
Les formes complexes de l'aloe polyphylla (aloès spirale).
Structure adaptative
La nature crée divers matériaux bien structurés, comme la soie, le bois et l'os, dotés de propriétés uniques qu’on aimerait retrouver dans les matériaux de la vie quotidienne. Ces matériaux naturels se forment et s’adaptent à des environnements complexes, exposés aux éléments, sans dépendre de l'énergie humaine.
© Material-Archiv
Les os - légers, solides et exceptionnellement résistants.
Vie organique
Ce sont les bactéries qui font la force du gel. Ces bactéries, qui vivent à l'intérieur du gel, possèdent des circuits génétiques spéciaux qui détectent leur environnement et produisent des protéines pour modifier ce qui les entoure. C’est donc un matériau vivant ! C’est cette force vitale qui lui permet de détecter son environnement, de croître et de s'adapter. Ces caractéristiques uniques lui confèrent des capacités remarquables, notamment la possibilité de créer des systèmes incroyablement complexes qui peuvent être encodés dans le patrimoine génétique de la bactérie.
Sur cette image, les cellules génétiquement modifiées produisent une protéine fluorescente verte dérivée d'une méduse, ce qui nous permet de les voir facilement au microscope à fluorescence.
Le gel est composé d'alginate, un polymère provenant d'algues brunes, et de bactéries E. coli, un groupe de bactéries très apprécié parce qu'il est bien connu et facile à isoler. Dans la nature, elles sont souvent présentes dans le gros intestin des créatures à sang chaud.
Détection de l'environnement
Les bactéries peuvent détecter la température, la lumière ou les influences chimiques. En réponse aux stimuli externes, les bactéries modifient l'état de l'hydrogel, de souple à rigide ou de petit à grand. Cette prouesse, les bactéries la réalisent en produisant des enzymes ou des polymères qui dégradent ou renforcent la structure de l'hydrogel. Ce matériau peut même passer d'un état liquide à un état plus gélifié sous l'effet de la réaction des bactéries. Formidable !
Le même type d'hydrogel à l'état liquide.
Un Hydrogel Bactérien dans son état intermédiaire, entre liquide et gélifié.
Ces recherches s'inspirent des organismes vivants, qui ont des capacités presque miraculeuses par rapport aux matériaux que nous avons l’habitude d’utiliser. Ce sont les systèmes naturels qui définissent la durabilité, d'autant plus que la biosphère croît et se propage depuis des milliards d'années. En essayant d'imiter le développement naturel dans la fabrication, nous pouvons créer des matériaux complexes de manière plus durable.
Applications
Les pansements de l'avenir, oui, mais ensuite ?
Les Hydrogels Bactériens ont des applications diverses, en particulier dans le domaine de la biomédecine. Ils sont déjà utilisés pour améliorer la santé intestinale et accélérer la cicatrisation des plaies infectées en y incorporant des bactéries. L'objectif global de la recherche en hydrogel est de parvenir à programmer des caractéristiques et des formes spécifiques. Cependant, il nous reste encore beaucoup à apprendre sur la manière de concevoir et d'appliquer ces matériaux vivants. De nombreuses utilisations potentielles doivent encore être étudiées. Par où commencer ?
© Morphogenèse programmable simulée à l'aide du progiciel GFtbox dans MATLAB. Kennaway, R., Coen, E., Green, A. & Bangham, A. PLOS Computational Biology 7, e1002071 (2011).
Des bactéries modifiées pourraient être utilisées pour créer un hydrogel doté de propriétés matérielles très spécifiques afin qu'il puisse prendre les formes et les structures souhaitées, en s'inspirant d'un processus naturel appelé morphogenèse. La morphogenèse, c’est le processus par lequel un organisme prend sa forme distinctive. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que ces procédés ont lieu dans des conditions ordinaires. Quelles sont les applications possibles, par exemple dans l'architecture ou la conception de produits ?
Composition
L'Hydrogel Bactérien se compose d'un hydrogel, un gel formé à partir d'un polymère qui ne se dissout pas dans l'eau mais qui peut s’y lier, et de colonies de bactéries qui vivent à l'intérieur. Les bactéries sont intégrées au corps souple de l'hydrogel, qui contient la nourriture nécessaire à leur développement.
L'hydrogel est constitué de longues molécules polymères qui forment un réseau entrelacé en suspension dans l'eau, créant ainsi un gel solide. Plusieurs matériaux peuvent être utilisés pour former l'hydrogel, tels que l'alginate, l'acide hyaluronique et la gélatine.
Pour fabriquer le matériau, l'hydrogel est combiné à des bactéries modifiées telles que E.coli modifié. Lorsque les conditions sont réunies, les bactéries se transforment, de simples colonies à des structures de plus en plus complexes qui se comportent comme des organismes sophistiqués et autorégulés, comme les tissus et les organes d’un corps humain.
L'eau contient des sels dissous et des nutriments pour les bactéries, qui peuvent alors prospérer et se multiplier à température ambiante. En fait, les bactéries sont à la fois architectes et constructrices : c’est elles qui vont se charger du gros du travail. Notre rôle dans tout ça, c’est de leur fournir un environnement de travail adéquat et de leur donner de temps à autre un coup de pouce dans la bonne direction.
Fabrication
Les Hydrogels Bactériens se développent à température ambiante et à pression normale. Après le mélange des ingrédients, les bactéries se développent pendant plusieurs jours et restent en vie tant qu'elles ont de quoi se nourrir.
Cellulose bactérienne
Cet exemple d'Hydrogel Bactérien utilise des bactéries productrices de cellulose. Les bactéries se développent bien à température ambiante et à pression normale. Au cours d’une période de dix jours, les bactéries créent une couche de cellulose bactérienne à la surface du liquide. Vous vous souvenez de la kombucha ? Et bien c'est le même processus !
Timelapse de la croissance de la cellulose bactérienne sur plusieurs jours.
Vivant, lavé et séché
Tant que les bactéries sont vivantes, le matériau conserve sa capacité à se transformer en fonction de l'environnement. Si les bactéries meurent, elles laissent l'hydrogel en tant que matériau. Il est possible de le sécher en laissant le polymère.
Les trois états de l'Hydrogel Bactérien (de gauche à droite) : vivant, lavé et séché.
Échantillon de cellulose bactérienne lavée.
Échantillon de cellulose bactérienne séchée. Après séchage, la cellulose devient très fragile, un peu comme du papier fin et légèrement transparent.
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