Une équipe collaborative de physiciens et de microbiologistes de l'UNIST et de l'Université de Stanford a découvert pour la première fois les lois fondamentales régissant la distribution des particules autopropulsées, telles que les bactéries.
Publié dans Lettres d'examen physiquecette percée a été dirigée conjointement par le professeur Joonwoo Jeong du département de physique de l'UNIST, le professeur Robert J. Mitchell du département des sciences biologiques de l'UNIST et le professeur Sho C. Takatori de l'Université de Stanford.
L'étude révèle que la répartition des bactéries vivantes est régie par un équilibre délicat entre leur motilité et leur affinité pour des environnements liquides spécifiques. Il est intéressant de noter que les résultats mettent en évidence un phénomène cohérent avec le principe du semblable qui attire le semblable.
Les bactéries mobiles ont tendance à s'agréger à d'autres bactéries présentant des comportements de motilité similaires, influençant leur répartition spatiale au sein de fluides complexes. Alors que les forces qui attirent les bactéries dans certains liquides ont tendance à les confiner, la capacité des bactéries à se déplacer leur permet d'échapper à ces confinements et de se propager plus largement, remettant en question les attentes traditionnelles basées uniquement sur les préférences énergétiques.
À l’aide d’une pince optique, les chercheurs ont mesuré avec précision les forces exercées par les bactéries pour favoriser une phase liquide par rapport à une autre, et ont découvert que cette force d’attraction est d’environ 1 piconewton (pN), une force environ 10 millions de fois plus faible que celle ressentie par un cheveu humain sous gravité.
Remarquablement, la force de propulsion des bactéries a été mesurée à environ 10 pN, suffisante pour surmonter ces faibles forces d'attraction et permettre aux bactéries de passer d'une phase à l'autre, illustrant ainsi l'influence de la motilité sur la distribution dans les systèmes de matière active.
Les expériences impliquaient l'injection de Bacillus subtilis, une bactérie couramment utilisée dans les produits à base de soja fermenté, dans un système dextran/PEG à deux phases, qui se sépare naturellement en phases riches en dextrane et en PEG.
Alors que les bactéries non mobiles restaient confinées à leur phase préférée, les bactéries mobiles étaient réparties uniformément dans les deux phases, un phénomène qui ne peut s'expliquer uniquement par les fluctuations thermiques.
Au lieu de cela, les bactéries mobiles présentent une forme de comportement semblable à celui qui attire, dans lequel leur autopropulsion et leur attraction mutuelle les amènent à se regrouper avec des bactéries similaires, influençant leur répartition en phases.
Parmi les principaux contributeurs figurent le Dr Jiyong Cheon, ancien doctorant à l'UNIST, qui travaille désormais comme chercheur postdoctoral à Georgia Tech, et Kyu Hwan Choi, chercheur postdoctoral à l'Université de Stanford.
L’équipe a souligné que ces travaux interdisciplinaires – couvrant la physique, le génie chimique et la microbiologie – ont réussi à quantifier les forces agissant sur les particules actives dans des conditions de non-équilibre.
Ce système modèle offre de nouvelles informations sur le comportement des bactéries et autres particules actives dans des environnements où l’énergie est continuellement fournie ou consommée, renforçant l’idée selon laquelle des comportements similaires ont tendance à attirer et à influencer la dynamique collective.
Le professeur Jeong a expliqué : « Cette recherche nous aide non seulement à comprendre comment les bactéries établissent leurs niches dans le corps, mais a également des applications potentielles dans la purification des protéines, le développement de biocapteurs et la conception de micro-robots. »
