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Mar 14, 2024

Les biofilms irisés de Cellulophaga lytica sont des plates-formes réglables pour des matériaux évolutifs et ordonnés

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13192 (2023) Citer cet article 746 Accès 1 Détails Altmetric Metrics La nature offre de nombreux exemples de matériaux qui présentent des propriétés exceptionnelles dues à

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13192 (2023) Citer cet article

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La nature offre de nombreux exemples de matériaux qui présentent des propriétés exceptionnelles dues à l'assemblage hiérarchique de leurs constituants. Dans les systèmes multicellulaires bien étudiés, tels que le papillon morpho, une indication visible d'avoir des caractéristiques submicroniques ordonnées est donnée par l'affichage de la couleur structurelle. Des recherches détaillées sur les conceptions de la nature ont donné des informations mécanistes et conduit au développement de matériaux biomimétiques à l'échelle du laboratoire. Cependant, la fabrication d'assemblages hiérarchiques à l'échelle industrielle reste difficile. La biofabrication vise à tirer parti de l’autonomie des systèmes biologiques pour produire des matériaux à moindre coût et avec moins d’émissions de carbone. Des rapports antérieurs ont montré que certaines bactéries, en particulier celles ayant une motilité glissante, s'auto-assemblent en biofilms dotés de structures polycristallines et présentent des couleurs scintillantes et irisées. L'étude actuelle démontre le potentiel d'utiliser l'une de ces bactéries, Cellulophaga lytica, comme plate-forme pour la biofabrication à grande échelle de matériaux commandés. Des approches spécifiques pour contrôler les propriétés optiques, spatiales et temporelles du biofilm de C. lytica sont rapportées. Des études complémentaires basées sur la microscopie révèlent que les variations de couleur des biofilms sont attribuées à des changements de morphologie induits par les réponses cellulaires à l'environnement local. L'incorporation de biofilms de C. lytica dans des matériaux est également démontrée, facilitant ainsi leur manipulation et leur traitement en aval, comme cela serait nécessaire lors des processus de fabrication. Enfin, l’utilité de C. lytica en tant qu’encre photonique auto-imprimante est établie par cette étude. En résumé, l’assemblage autonome en surface de C. lytica dans des conditions ambiantes et à plusieurs échelles de longueur contourne les défis qui entravent actuellement la production de matériaux ordonnés en milieu industriel.

Les environnements fluctuants et difficiles obligent les systèmes biologiques à élaborer des stratégies d’atténuation pour survivre. La hiérarchie structurelle est une réponse courante à de tels défis et constitue la base de propriétés et de fonctionnalités matérielles remarquables1,2. Bien que les chercheurs aient développé des matériaux biomimétiques intégrant les principes de conception de la nature, la fabrication de matériaux hiérarchiques à l'échelle industrielle reste difficile3,4,5. La biofabrication a le potentiel de réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone en utilisant des organismes vivants pour produire des matériaux complexes6,7,8. Un domaine d’intérêt particulier concerne les encres bactériennes dans lesquelles des cellules intégrées permettent l’impression 3D de matériaux fonctionnels9,10. Les chercheurs rapportent des succès en laboratoire dans la structuration des bactéries pour un contrôle supplémentaire en utilisant des nanostructures, des champs électriques et l'optogénétique11,12,13.

La coloration structurelle, une propriété émergente liée aux colonies bactériennes, découle de l’interaction de la lumière avec des structures submicroniques récurrentes et hiérarchiques. Dans les organismes multicellulaires, la couleur structurelle améliore les fonctions essentielles, notamment la collecte de la lumière, l’accouplement, la défense et la communication14,15,16,17. L'irisation, ou couleur structurelle dépendante de l'angle, implique souvent des combinaisons de pigments, d'iridophores et de structures multicouches attachées aux membranes des eucaryotes18,19. Les systèmes procaryotes, notamment les genres Cytophaga, Flavobacterium et Cellulophaga, présentent également une irisation et les mécanismes précis impliqués sont actuellement étudiés par plusieurs groupes20,21,22. L'irisation de ces bactéries est définie comme une couleur structurelle avec une intensité maximale dépendant de l'angle. Notez que ceci est distinct de l'irisation généralement associée aux papillons et aux coquilles de mollusques où la longueur d'onde réfléchie dépend également de l'angle. Dans des conditions de laboratoire, les souches de Cellulophaga lytica s’auto-organisent en communautés coopératives 3D, connues sous le nom de biofilms, générant une irisation de longueurs d’onde discrètes22,23. La motilité de glissement coordonnée facilite le classement des bactéries à courte distance sur de grandes surfaces24,25,26. Dans les études de Kientz et al., diverses souches de C. lytica ont généré une irisation semblable à des paillettes, y compris les isolats marins DSM 2040 et CECT 8139 provenant d'aquariums d'eau de mer de La Jolla, aux États-Unis, et de l'île d'Oléron, en France, respectivement23. Il a été démontré que la capacité de glisser et les facteurs environnementaux tels que la température, la salinité, etc. ont un impact sur l’irisation20,27,28. C. lytica DSM 7489 (alias CIP 103822 et Lim 21T ; isolé à l'origine de la boue d'une plage de Limon, au Costa Rica) était significativement moins irisé et utilisé comme contrôle négatif dans leurs expériences20,22,23. Conformément à notre objectif de développer des matériaux hiérarchiques se prêtant à la biofabrication, cette étude a caractérisé les biofilms irisés de la souche disponible dans le commerce de C. lytica, DSM 7489 et a développé des stratégies pour contrôler les propriétés optiques et spatiales des biofilms. Ainsi, l’utilité des biofilms de C. lytica en tant que plate-forme pour développer des matériaux commandés fabriqués de manière durable a été démontrée.