Une étude conjointe de l’Université du Michigan et de Harvard révèle que le flux d’eau dans les fibres musculaires dicte la vitesse de contraction et introduit une « élasticité étrange », ce qui pourrait révolutionner la conception de matériaux bio-inspirés et de muscles artificiels.
Des chercheurs de l’Université du Michigan ont découvert que le flux d’eau dans les fibres musculaires influence grandement leur taux de contraction, remettant en question les connaissances traditionnelles de la mécanique musculaire et améliorant potentiellement la conception des muscles artificiels.
Selon une étude de l’Université du Michigan, la vitesse à laquelle les fibres musculaires se contractent pourrait être déterminée par le flux d’eau à l’intérieur d’elles.
Presque tous les animaux utilisent des muscles pour se déplacer, et on sait depuis longtemps que les muscles, comme toutes les autres cellules, sont composés d'environ 70 % d'eau. Mais les chercheurs ne savent pas ce qui détermine la portée et les limites supérieures des performances musculaires. Les recherches antérieures sur le fonctionnement des muscles se sont concentrées uniquement sur la manière dont ils fonctionnent au niveau moléculaire plutôt que sur la façon dont les fibres musculaires sont formées, sur le fait qu'elles sont tridimensionnelles et remplies de liquide.
Le physicien de l'UM Suraj Shankar et L. Mahadevan, professeur de physique à l'Université de Harvard, ont créé un modèle théorique du rôle de l'eau dans la contraction musculaire et ont découvert que la façon dont le fluide se déplace dans une fibre musculaire détermine la vitesse à laquelle une fibre musculaire peut se contracter.
Ils ont également découvert que le muscle présente un nouveau type d’élasticité appelé élasticité étrange qui permet au muscle de générer de la puissance en utilisant des déformations tridimensionnelles, démontrées dans une observation courante selon laquelle lorsqu’une fibre musculaire se contracte dans le sens de la longueur, elle se gonfle également perpendiculairement.
Implications et applications plus larges
Les chercheurs affirment que ce cadre peut être utilisé pour décrire de nombreuses autres cellules et tissus, qui sont également en grande partie composés d'eau, et peut être appliqué aux mouvements ultrarapides des micro-organismes unicellulaires et à la manière dont ils peuvent être contrôlés. Leurs découvertes pourraient également avoir un impact sur la conception d'actionneurs souples (un type de matériau qui convertit l'énergie en mouvement), de muscles artificiels rapides et de matériaux à déformation de forme, qui ont tous des vitesses de contraction très lentes car ils sont déclenchés de l'extérieur. Leurs résultats sont publiés dans la revue Physique de la nature.
« Nos résultats suggèrent que même des questions aussi fondamentales que la vitesse de contraction d’un muscle ou le nombre de façons dont un muscle peut générer de la puissance trouvent des réponses nouvelles et inattendues lorsqu’on adopte une vision plus intégrée et holistique du muscle en tant que matériau complexe et organisé hiérarchiquement plutôt qu’un simple sac de molécules », a déclaré Shankar. « Le muscle est plus que la somme de ses parties. »
Les chercheurs envisagent chaque fibre musculaire comme une éponge active auto-compressante, un matériau rempli d'eau, semblable à une éponge, qui peut se contracter et se comprimer grâce à l'action de moteurs moléculaires, dit-il.
Le rôle des flux de fluides dans la contraction musculaire
« Les fibres musculaires sont composées de nombreux éléments, comme diverses protéines, des noyaux cellulaires, des organites comme les mitochondries et des moteurs moléculaires comme la myosine qui convertissent le carburant chimique en mouvement et entraînent la contraction musculaire », a déclaré Shankar. « Tous ces composants forment un réseau poreux baigné d’eau. Ainsi, une description grossière et appropriée du muscle est celle d’une éponge active. »
Mais le processus de compression prend du temps pour déplacer l’eau, donc les chercheurs ont supposé que ce mouvement d’eau à travers la fibre musculaire fixait une limite supérieure à la vitesse à laquelle une fibre musculaire peut se contracter.
Pour tester leur théorie, ils ont modélisé les mouvements musculaires de plusieurs organismes parmi les mammifères, les insectes, les oiseaux, les poissons et les reptiles, en se concentrant sur les animaux qui utilisent les muscles pour des mouvements très rapides. Ils ont découvert que les muscles qui produisent des sons, comme le hochet dans la queue d'un serpent à sonnette, qui peuvent se contracter dix à cent fois par seconde, ne dépendent généralement pas des flux de fluides. Au lieu de cela, ces contractions sont contrôlées par le système nerveux et sont plus fortement dictées par les propriétés moléculaires, ou le temps que mettent les moteurs moléculaires des cellules à se lier et à générer des forces.
Mais chez les organismes plus petits, comme les insectes volants qui battent des ailes quelques centaines à mille fois par seconde, ces contractions sont trop rapides pour que les neurones puissent les contrôler directement. Dans ce cas, les flux de fluides sont plus importants.
« Dans ces cas, nous avons constaté que les flux de fluides dans la fibre musculaire sont importants et que notre mécanisme d’hydraulique active est susceptible de limiter les taux de contraction les plus rapides », a déclaré Shankar. « Certains insectes comme les moustiques semblent être proches de notre limite théoriquement prévue, mais des tests expérimentaux directs sont nécessaires pour vérifier et remettre en question nos prédictions. »
Les chercheurs ont également découvert que lorsque les fibres musculaires agissent comme une éponge active, le processus amène également les muscles à agir comme un moteur élastique actif. Lorsqu’un objet est élastique, comme un élastique, il stocke de l’énergie en essayant de résister à la déformation. Imaginez que vous tenez un élastique entre deux doigts et que vous le tirez vers l’arrière. Lorsque vous relâchez l’élastique, celui-ci libère également l’énergie stockée lors de son étirement. Dans ce cas, l’énergie est conservée – une loi fondamentale de la physique qui dicte que la quantité d’énergie dans un système fermé doit rester la même au fil du temps.
Mais lorsque le muscle convertit le carburant chimique en travail mécanique, il peut produire de l’énergie comme un moteur, violant ainsi la loi de la conservation de l’énergie. Dans ce cas, le muscle présente une nouvelle propriété appelée « élasticité étrange », où sa réponse lorsqu’il est écrasé dans une direction par rapport à une autre n’est pas mutuelle. Contrairement à l’élastique, lorsque le muscle se contracte et se détend sur toute sa longueur, il se gonfle également perpendiculairement et son énergie ne reste pas la même. Cela permet aux fibres musculaires de générer de la puissance à partir de déformations répétitives, se comportant comme un moteur souple.
« Ces résultats sont en contradiction avec la pensée dominante, qui se concentre sur les détails moléculaires et néglige le fait que les muscles sont longs et filamenteux, qu’ils sont hydratés et qu’ils ont des processus à plusieurs échelles », a déclaré Shankar. « Dans l’ensemble, nos résultats suggèrent qu’une vision révisée du fonctionnement des muscles est essentielle pour comprendre leur physiologie. Cela est également crucial pour comprendre les origines, l’étendue et les limites qui sous-tendent les diverses formes de mouvement animal. »
