Supercellulose
Une cellulose bactérienne augmentée grâce à l’évolution dirigée.
Nous sommes aux portes d’un nouveau monde de matériaux éco-responsables. Dans la nature, des micro-organismes créent des matériaux divers et variés, et nous apprenons à s’inspirer de leurs capacités pour des applications humaines. La recherche a permis de mettre au point une technique pour stimuler l’évolution des bactéries productrices de cellulose, par la sélection des souches les plus prolifiques. Il s’agit d’un véritable bond en avant, vers un avenir où nous pourrons utiliser les organismes vivants pour répondre à nos besoins matériels tout en respectant l’environnement.
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Propriétés
Qu’est-ce qui la rend si particulière ?
Des fibres robustes
La cellulose est partout. On la retrouve dans le papier, le coton, les fruits, le bois… C’est l’un des polymères organiques les plus répandus sur Terre. Structurellement, la cellulose se compose de fibres reliées les unes aux autres, formant un réseau dense et robuste qui apporte à ce matériau des propriétés uniques.
Microscopie électronique à balayage de cellulose bactérienne lyophilisée après 12 jours d’incubation à 28°C en condition statique.
Une origine bactérienne
Si la cellulose est d’origine végétale, la cellulose bactérienne, elle, est produite… par des bactéries. D’un point de vue chimique, elle est similaire à la cellulose naturelle, mais sa macrostructure bien distincte modifie considérablement les propriétés du matériau. La cellulose bactérienne est d’une haute pureté. Elle est plus résistante et capable de stocker de plus grandes quantités d’eau que la cellulose végétale. Elle peut également être cultivée et traitée de manière innovante.
Photographie de Supercellulose lavée et lyophilisée.
Une croissance efficace
Essentiellement, la Supercellulose est une cellulose bactérienne, mais elle a de particulier qu’elle est issue de souches de bactéries évoluées, capables de produire plus de cellulose que des bactéries autochtones. Ces bactéries évoluées ont été optimisées pour produire jusqu’à 70 % de masse matérielle en plus.
Dans cet exemple, la bactérie utilisée est la Komagataeibacter sucrofermentans.
Applications
Comment s’en servir ?
La cellulose bactérienne est un matériau éco-responsable déjà répandu, de l’industrie agro-alimentaire à la médecine, la vente, les produits industriels et d’autres domaines techniques. Sa structure versatile permet de lui faire prendre des formes variées, pour l’adapter à des situations diverses. Un exemple révélateur : sa capacité à agir comme un substitut temporaire à la peau pour les brûlures et autres lésions cutanées. Il est donc évident que la Supercellulose regorge d’applications potentielles !
Impression 3D
Grâce à sa capacité de surproduction de cellulose, sous la forme d’un gel viscoélastique, la Supercellulose se prête à l’impression 3D de matériaux vivants à l’architecture ajustable, sur plusieurs échelles de grandeur.
Un objet réalisé en matériaux vivants, créé par impression 3D à l’aide d’un gel contenant des K. sucrofermentans.
Composition
C’est quoi, exactement ?
Fibres & bactéries
La Supercellulose se compose de fibres de cellulose, d’eau, de bactéries productrices de cellulose et des nutriments dont elles ont besoin. Lorsqu’une quantité suffisante de fibres a été obtenue, les bactéries peuvent être retirées pour modifier davantage la cellulose pure.
Souches bactériennes
Chaque souche bactérienne a ses propres capacités de production de cellulose. Les bactéries naturelles ont une production relativement lente ; c’est pourquoi les chercheur·euses essaient de trouver des souches bactériennes plus efficaces.
Fabrication
Comment fabriquer de la Supercellulose ? Comment identifier les bactéries productrices de cellulose les plus efficaces ?
Selon un processus que l’on appelle l’évolution dirigée, de nouvelles souches bactériennes sont créées et sélectionnées, pour isoler celles qui produisent le plus de cellulose. Il y a plusieurs étapes : d’abord, on induit la mutation des bactéries productrices de cellulose, puis on teste leur capacité à produire de la cellulose, on les sélectionne et enfin, on les analyse. Un processus similaire à la création de nouvelles variétés de plantes, mais beaucoup plus rapide. Voici les étapes à suivre pour obtenir un nouvel ensemble de bactéries optimisées.
Librairie de mutations
La première étape du processus consiste à créer une « librairie de mutations » des bactéries. Pour cela, on les expose à des rayons UV-C pour altérer leur ADN, ce qui induit des mutations. Le temps d’exposition est calibré avec soin pour générer les mutations sans tuer les bactéries. Après exposition, elles sont préservées dans l’obscurité pendant une heure. Au terme d’une période de récupération, elles sont prêtes pour la prochaine étape.
Exposition aux UV-C dans du sel.
Suspension cellulaire saline, préservée dans l’obscurité pendant une heure.
Après une étape de récupération en milieu riche pendant une heure, la bactérie est gelée.
Encapsulation
Les mutations sont encapsulées dans des gouttelettes de même taille. Cette encapsulation est réalisée à l’aide d’une puce microfluidique qui utilise la tension superficielle pour créer les gouttelettes rapidement et avec précision. Les gouttelettes, à base d’eau, sont suspendues en milieu huileux. Au départ, chaque gouttelette contient au maximum une seule bactérie ainsi que les substances nécessaires à sa survie.
©Josefine Stenudd via Flickr
Inspiration : Frai de grenouille, un exemple d’un organisme encapsulé dans la nature.
Bactéries encapsulées
Chaque gouttelette est à base d’eau. Elle peut également contenir des nutriments (sucres, protéines) pour permettre à la bactérie de grandir et se propager.
Les gouttelettes sont séparées les unes des autres dans une solution à base d’huile. Un agent tensioactif peut être ajouté pour stabiliser les gouttelettes.
La solution aqueuse enferme complètement les bactéries dans les gouttelettes. Idéalement, chaque gouttelette contient tout au plus une seule bactérie active, et certaines peuvent rester vides.
Production de cellulose
Petit à petit, les bactéries produisent de la cellulose. Si certaines n’en produisent qu’un peu, d’autres sont très prolifiques. Chaque gouttelette contient une bactérie, qui va créer différentes quantités de cellulose en un temps donné.
Cette microscopie confocale de la formation de cellulose en gouttelettes montre leur état initial après encapsulation. Les gouttelettes sont en gris, et la cellulose, marquée par fluorescence, est en cyan.
Après 6h de croissance.
Après 24h de croissance.
Sélection
Les bactéries sont sélectionnées selon la quantité de cellulose qu’elles produisent en un temps donné. Là encore, on utilise une puce microfluidique, capable de traiter beaucoup de gouttelettes en peu de temps.
La sélection microfluidique en action.
Analyse
Dans une dernière étape, on analyse l’ADN des couches bactériennes sélectionnées pour trouver la mutation responsable de la production de cellulose élevée. On peut ensuite reproduire les bactéries sélectionnées et les utiliser pour manufacturer la cellulose.
Colonies de mutations sélectionnées après 4 jours. Les gouttelettes contenant les bactéries évoluées ont été récupérées et dispersées en milieu solide pour permettre le développement de mutations individuelles en colonies.
Cinq d’entre elles ont été choisies pour une analyse plus approfondie.
Les gouttelettes sont créées à l’aide d’une technique spécifique, la microfluidique. Cette méthode de haute précision pour la manipulation des liquides à petite échelle est essentielle à la création de ce matériau.
La microfluidique désigne le comportement, le contrôle précis et la manipulation de liquides géométriquement limités à une petite échelle (généralement inférieure au millimètre) à laquelle les forces surfaciques dominent les forces volumiques.
Les solutions aqueuse et huileuse sont injectées dans la puce microfluidique. Dans la puce, les deux liquides sont acheminés à travers des canaux minuscules, pour former des gouttelettes de même taille, qui sortent de la puce par un tube. Lors de leur création, les gouttelettes sont liquides, mais on peut utiliser un agent tensioactif pour les stabiliser et les aider à garder leur forme.
À gauche, on voit un flot de petites gouttelettes qui s’écoule du tube transparent.
Ces puces microfluidiques ont été réalisées à l’aide d’un moule en silicone, puis collées sur du verre. Chaque puce contient deux « circuits » indépendants qui permettent de combiner les liquides en une émulsion. La microfluidique permet une création et une manipulation précise des gouttelettes.
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Pour plus de détails sur la Supercellulose, consultez l’article (en anglais) : Directed evolution of material-producing microorganisms
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