Des minuscules « micro-cargos » qui nagent tout seuls dans un fluide biologique

De nombreux êtres vivants, comme certaines bactéries, certains protozoaires et les spermatozoïdes sont équipés de flagelles qui leur permettent de nager dans des fluides naturels. En déformant les flagelles, ces organismes créent une force qui les propulse. Des chercheurs de l’University of Illinois et de l’Arizona State University aux Etats-Unis, ont réussi à construire dans un  matériau synthétique des minuscules pastilles à propulsion flagellaire. Leur caractéristique unique est de pouvoir se propulser dans un fluide biologique indépendamment de toute action extérieure, champ magnétique ou autre. On peut les charger de certaines  substances que l’on veut distribuer dans les organismes vivants. On peut  donc les dénommer micro-transporteurs ou micro-cargos. 

 

Fig.1. Schéma d’un micro-cargo auto propulsé réalisé en PDMS (polydiméthylsiloxane). La flèche indique la direction du déplacement. Dans l’insert en haut, à droite, on voit une micrographie de l’objet. Crédit Taher Saif.

Fig.1. Schéma d’un micro-cargo auto propulsé réalisé
en PDMS (polydiméthylsiloxane). La flèche indique la direction du
déplacement. Dans l’insert en haut, à droite, on voit une micrographie
de l’objet. Crédit Taher Saif.

Nous avons choisi la dénomination micro-cargos un peu différente de l’original anglais « bio- bots », association du préfixe bio et d’une abréviation du mot robot.

Ces petites structures synthétiques ont été réalisées en PDMS (polydiméthylsiloxane), polymère siliconé bien supporté par les organismes vivants.

Sur la figure 1, on peut voir un schéma  d’un de ces dispositifs. La « tête », figurée en vert, mesure 500 micromètres de long, 57 µm de large et 27 µm d’épaisseur. La flagelle  a 1500 µm de long, une largeur de 7 µm et une épaisseur de 27 µm. La figure 2 donne une comparaison avec la taille des spermatozoïdes.

Fig.2. (a) Spermatozoïde nageant grâce à l’ondulation de sa flagelle. (b) Micro-cargo avec une tête rigide, une flagelle flexible et un petit amas de cellules contractiles générant une force qui fait osciller la flagelle. Crédit Nature communications.

Fig.2. (a) Spermatozoïde nageant grâce à l’ondulation de sa flagelle.
(b) Micro-cargo avec une tête rigide, une flagelle flexible et un petit amas de cellules contractiles générant une force qui fait osciller la flagelle. Crédit Nature communications.

Des molécules de fibronectine sont déposées dans la région jonction entre la flagelle et la tête.

La fibronectine est une glycoprotéine ( molécule constituée de protéines et de glucides) qui joue un rôle dans l’adhésion des cellules à la matrice extracellulaire, qui désigne l’ensemble des macromolécules du tissu conjonctif et des autres tissus.

 

Elles ont pour rôle de permettre la fixation de cardiomyocytes, cellules contractiles du muscle cardiaque que l’on cultive facilement à partir d’animaux de laboratoire. Ce sont les contractions (battements) de ces cardiomyocites, qui mettent en mouvement la flagelle, ce qui entraîne un mouvement vers l’avant du dispositif.

La forme mince du filament limite l’accrochage des cardiomyocytes à ses faces latérales. Leurs contractions créent un couple d’axe perpendiculaire à la page.

Ces mouvements d’objets de taille très petite ont lieu à des vitesses où les forces d’inertie sont négligeables devant les forces de viscosité.

L’animation suivante représente le mouvement d’un micro-cargo ainsi que les étapes de sa fabrication conduisant à la fixation des cardiomyocytes dans la zone ad hoc.

 

Les filaments sont capables de battre et donc de propulser les micro-cargos durant 3 à 4 jours. Les vitesses atteintes sont très faibles de l’ordre de 10 µm/s alors qu’un spermatozoïde de taureau avance à 97 µm/s. Cependant, les chercheurs ont fabriqué le même système avec deux flagelles. La vitesse est alors dix fois plus élevée.

La vidéo ci-dessous montre le mouvement d’un micro-cargo dans un fluide biologique.

L’équipe dirigée par Taher Saif qui a développé ces mini-cargos biologiques envisage d’en fabriquer qui seraient sensibles aux produits chimiques ou à la lumière et qui pourraient naviguer vers une cible médicale ou environnementale. On espère aussi charger ces structures de cellules souches qui pourraient se différencier et seraient capables de délivrer des médicaments. Elles pourraient aussi être associées à une chirurgie peu invasive ou encore cibler des cellules cancéreuses.

 

Pour en savoir plus :

  • A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number
    Brian J. Williams, Sandeep V. Anand, Jagannathan Rajagopalan & M. Taher A. Saif
    Nature communications 17 janvier 2014
  • Tiny swimming bio-bots boldly go where no bot has swum before
    News Bureau | University of Illinois 17/01/2014