Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa ont créé des gouttelettes synthétiques pour étudier la chimiotaxie, imitant le mouvement cellulaire en répondant à des gradients chimiques qui pourraient expliquer les mouvements au début de la vie et inspirer les technologies futures. Leurs découvertes, utilisant des gouttelettes qui migrent les unes vers les autres en raison des changements de pH et de tension superficielle, contribuent à la compréhension des processus biologiques fondamentaux et au développement potentiel de nouvelles applications biotechnologiques.
Une gouttelette synthétique pourrait fournir aux chercheurs un aperçu de la manière dont les formes de vie les plus élémentaires sur Terre pourraient interagir avec leur environnement.
Notre corps est constitué de milliards de cellules diverses, chacune remplissant un rôle spécifique pour soutenir nos vies.
Comment les cellules se déplacent-elles à l’intérieur de ces systèmes extrêmement complexes ? Comment savent-ils où aller ? Et comment sont-ils devenus si compliqués au début ? Des questions simples mais profondes comme celles-ci sont au cœur de la recherche fondamentale motivée par la curiosité, qui se concentre sur les principes fondamentaux des phénomènes naturels. Un exemple important est le processus par lequel les cellules ou les organismes se déplacent en réponse à des signaux chimiques présents dans leur environnement, également appelé chimiotaxie.
Les gouttelettes synthétiques contiennent l'enzyme uréase qui catalyse la dégradation de l'urée en ammoniac, dont le pH est élevé. Les gouttelettes migrent en raison du gradient de pH, de faible à élevé, en raison de l'effet Marangoni. Crédit : OIST
Une constellation de chercheurs de trois unités de recherche différentes de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST) s'est réunie pour répondre à des questions fondamentales sur la chimiotaxie en créant des gouttelettes synthétiques pour imiter les phénomènes en laboratoire, leur permettant ainsi d'isoler, de contrôler et d'étudier avec précision. les phénomènes. Leurs résultats, qui aident à répondre aux questions sur les principes du mouvement dans les systèmes biologiques simples, ont été publiés dans la revue Journal de la Société américaine de chimie.
«Nous avons montré qu'il est possible de faire migrer des gouttelettes de protéines grâce à de simples interactions chimiques», explique Alessandro Bevilacqua, doctorant à l'unité d'ingénierie et d'évolution des protéines et co-premier auteur de l'article. Le professeur Paola Laurino, responsable de l'unité et auteur principal, ajoute qu'ils « ont créé un système simple qui simule un phénomène très complexe et qui peut être modulé par l'activité enzymatique ».
Modèles numériques montrant ce qui se passe lorsque les halos de deux gouttelettes synthétiques interagissent. Le pH dans l'espace entre les gouttelettes est plus élevé (et la tension superficielle plus faible), ce qui fait que les gouttelettes migrent les unes vers les autres tout en gardant leur forme sphérique, car le pH est plus bas à l'intérieur des gouttelettes, jusqu'à ce qu'elles se rencontrent et fusionnent. Les gouttelettes plus grosses attirent les gouttelettes plus petites.
Crédit : OIST
Des tensions en surface
Même si le processus de création de gouttelettes ne semble pas être la tâche la plus compliquée, imiter les processus biologiques aussi près que possible de la réalité tout en gardant un contrôle précis sur toutes les variables l’est certainement. Les gouttelettes synthétiques sans membrane contiennent une très forte concentration de protéine bovine BSA pour imiter les conditions de surpeuplement à l’intérieur des cellules, ainsi que de l’uréase, une enzyme qui catalyse la dégradation de l’urée en ammoniac.
L'ammoniac est basique, ce qui signifie qu'il a un pH élevé. À mesure que l'enzyme catalyse progressivement la production d'ammoniac, elle se diffuse dans la solution, créant un « halo » de pH plus élevé autour de la gouttelette, ce qui permet aux gouttelettes de détecter d'autres gouttelettes et de migrer les unes vers les autres.
Les chercheurs ont découvert que la clé pour comprendre la chimiotaxie des gouttelettes est le gradient de pH, car il facilite l’effet Marangoni, qui décrit la façon dont les molécules circulent des zones de tension superficielle élevée vers les zones faibles. La tension superficielle est la mesure de l’énergie nécessaire pour maintenir les molécules ensemble à la surface, comme la colle. Lorsque le pH augmente, cette colle s’affaiblit, provoquant la propagation des molécules et réduisant la tension superficielle, ce qui facilite le déplacement des molécules. Vous pouvez le constater en ajoutant du savon, qui a un pH élevé, à une extrémité d'une baignoire d'eau plate : l'eau coulera vers l'extrémité avec du savon à cause de l'effet Marangoni.
Comment les gouttelettes se déplacent-elles et qu’est-ce qui détermine leur direction ? Chaque gouttelette verte est densément remplie de protéines ainsi que d'une enzyme qui augmente la valeur du pH à l'intérieur et autour de la gouttelette, ce qui peut conduire à la réponse à ces questions. Crédit : OIST
Lorsque deux gouttelettes synthétiques sont suffisamment proches, leurs halos interagissent, augmentant le pH de l’environnement qui les sépare, ce qui les fait se déplacer ensemble. Parce que la tension superficielle est toujours forte aux extrémités opposées des gouttelettes, elles conservent leur forme jusqu'à ce que les surfaces se touchent, et les forces de cohésion à l'intérieur des gouttelettes surmontent la tension superficielle, les faisant fusionner. Comme les gouttelettes plus grosses produisent à la fois plus d’ammoniac et ont une plus grande surface (ce qui diminue la tension superficielle), elles attirent des gouttelettes plus petites qu’elles.
Collaborer sur la soupe ancienne et la biotechnologie du futur
Grâce au développement de ces gouttelettes, les chercheurs ont réussi à répondre à des questions fondamentales sur le mouvement biologique et, ce faisant, à mieux comprendre le mouvement dirigé des premières formes de vie dans la soupe primordiale il y a des milliards d'années. ainsi qu'une piste dans la création de nouveaux matériaux d'inspiration biologique.
Notre connaissance de la vie telle qu’elle était il y a des milliards d’années est pour le moins floue. Une hypothèse importante est que la vie est originaire des océans, lorsque les molécules organiques se sont progressivement assemblées et sont devenues plus sophistiquées dans une « soupe primordiale » – et cela aurait pu être facilité par la chimiotaxie via l'effet Marangoni. « Il aurait été bénéfique pour les gouttelettes d'avoir ce mécanisme de migration dans le scénario hypothétique de l'origine de la vie », comme le dit le professeur Laurino. Cette migration aurait pu déclencher la formation de voies métaboliques primitives par lesquelles les enzymes catalysent diverses substances qui produisent finalement un gradient chimique qui rassemble les gouttelettes, conduisant à des communautés plus grandes et plus sophistiquées.
La recherche avance également dans le temps, fournissant des pistes sur les nouvelles technologies. « Un exemple est la création de matériaux réactifs inspirés de la biologie », suggère Alessandro Bevilacqua. « Nous avons montré comment de simples gouttelettes peuvent migrer grâce à un gradient chimique. Une application future de cela pourrait concerner les technologies qui détectent ou réagissent aux gradients chimiques, par exemple dans la microrobotique ou dans l’administration de médicaments.
Le travail de production et d’analyse des gouttelettes synthétiques est le résultat d’une combinaison d’interdisciplinarité profondément intégrée et de facteurs humains qui sous-tendent le travail scientifique. Le projet a débuté pendant la pandémie de coronavirus, lorsqu’un membre de l’unité Ingénierie et évolution des protéines était en quarantaine avec un membre de l’unité Fluides et flux complexes. Les deux hommes ont commencé à discuter et, bien que les deux unités appartiennent à deux domaines disparates – respectivement la biochimie et la mécanique – le projet a évolué en tandem. Finalement, des membres de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique ont rejoint le projet avec des mesures sophistiquées de la tension superficielle des gouttelettes.
L’environnement de recherche non disciplinaire unique de l’OIST a catalysé la collaboration. Comme le dit le professeur Laurino, « ce projet n'aurait jamais pu exister si nous avions été séparés par départements. Cela n'a pas été une collaboration facile, car nous communiquons sur notre domaine de manières très différentes – mais le fait d'être physiquement proches a rendu les choses beaucoup plus faciles.
Alessandro Bevilacqua ajoute : « Le facteur café a été très important. Pouvoir s’asseoir avec d’autres membres de l’unité a rendu le processus beaucoup plus rapide et plus productif. Leur coopération ne s'arrête pas là : ce document marque plutôt le début d'un partenariat fructueux entre les trois unités. « Nous constatons beaucoup de synergie dans notre travail et nous travaillons ensemble de manière efficace et efficiente. Je ne vois pas pourquoi nous devrions arrêter », comme le dit le professeur Laurino. C'est grâce aux efforts combinés des trois unités que nous en savons désormais davantage sur les moindres mouvements de la vie à l'échelle la plus petite, la plus précoce et peut-être la future.
L’étude a été financée par la Société japonaise pour la promotion de la science, l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa, la Fondation Takeda et l’infrastructure informatique haute performance.
