Cet « écran tactile vivant » est fait de bactéries et d’or

Quand il s’agit de dispositifs à écran tactile, »grandir » n’est pas le premier verbe qui vient à l’esprit. Après tout, les smartphones et leurs frères inorganiques à base de silicium sont construits. La croissance, en revanche, est une superpuissance qui nous fait la grâce des créatures vivantes – le monde organique.

Mais maintenant, grâce à une équipe d’ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke, cette ligne est sur le point d’être brouillée.

Avec une dose de nouveaux gènes, l’équipe a donné à la bactérie, E. Coli, le pouvoir de s’auto-assembler en minuscules coupoles tridimensionnelles de la taille d’une tache de rousseur, coiffée d’une protéine qui agit comme du velcro.

L’équipe a ensuite imprimé les bactéries sur une membrane de nutriments et a légèrement saupoudré les dômes de particules d’or qui se sont agrippées aux protéines du type velcro.

Le résultat? Un circuit électrique fabriqué par des bactéries et amélioré par l’homme qui fonctionne comme le capteur de pression sur nos écrans tactiles.

Fondamentalement, nous cultivons un « dispositif fonctionnel à partir d’une seule cellule », affirme l’auteur de l’étude, le Dr Lingchong You. « Fondamentalement, il n’est pas différent de programmer une cellule pour faire pousser un arbre entier. »

Une démonstration du capteur de pression construit par des bactéries en action alors qu’un chercheur extrait du code Morse.

Aussi bizarre que cela puisse paraître, le but ultime de l’équipe n’est pas de faire pousser des écrans tactiles à partir d’une soupe bactérienne.

« Les scientifiques des matériaux ont longtemps cherché à brouiller la frontière entre l’inorganique et l’organique », expliquent Neydis Morales et Megan McClean, de l’Université du Wisconsin-Madison, qui n’ont pas participé aux travaux.

En complétant la durabilité des matériaux inorganiques – puces de silicium, circuits électroniques – par une capacité d’adaptation à la vie, ces « matières vivantes  » hybrides et futuristes auront le pouvoir de changer, de guérir ou de transformer en circuits entièrement nouveaux à la demande.

La nouvelle étude, publiée dans Nature Biotechnology, est un « pas important » dans cette direction, affirment Morales et McClean.

Un match au paradis

Pour Mère Nature, la séparation entre le monde inorganique et le monde organique est facile à franchir.

Le monde naturel regorge d’exemples où les êtres vivants combinent des composés inorganiques et organiques pour créer des matériaux plus forts ou plus polyvalents. Nos os, par exemple, sont un mélange complexe de protéines de collagène élastiques et de minéraux inorganiques, extrêmement bien structurés, fabriqués sans signaux explicites provenant de l’extérieur du corps.

Avec l’explosion récente de la biologie synthétique, les spécialistes des matériaux disposent désormais d’un outil puissant pour copier les prouesses de la nature en matière de fabrication. En bricolant un morceau d’ADN, en y ajoutant des éléments, les scientifiques peuvent modifier radicalement le fonctionnement interne de la cellule. Les travaux antérieurs nous ont donné des bactéries qui peuvent sécréter de l’insuline, produire des médicaments antipaludiques ou des « ordinateurs vivants » qui peuvent résoudre des problèmes logiques complexes.

C’est un jeu de Lego pour les scientifiques: si chaque processus biologique programmable est un bloc Lego, alors le but est de décomposer, réorganiser et reconstruire les constructions Lego de la vie, en faisant à son tour les bactéries faire ce que nous voulons.

Le problème de modèle

Ou du moins, c’est l’objectif à long terme.

Bien que la biologie synthétique dispose de la boîte à outils parfaite pour fabriquer des matériaux hybrides qui combinent l’inorganique et l’organique, les chercheurs se sont heurtés à un obstacle « extraordinairement difficile », dit You.

« Le problème, explique-t-il, est qu’il est difficile de « programmer la nature pour créer des modèles auto-organisés » qui forment les bases de ces nouveaux matériaux.

L’équipe n’est pas la première à rencontrer le problème de modèle. Il y a trois ans, une équipe du MIT a trouvé une faille dans le tissage de bactéries et de composants inorganiques dans un nouveau matériau hybride qui peut émettre de la lumière fluorescente.

Bien que le produit final ait fonctionné comme prévu, le processus a nécessité des signaux supplémentaires pour que les composants se mettent en forme. Sans l’interférence supplémentaire de l’équipe, le matériel a eu du mal à s’assembler en circuits fonctionnels.

Les scientifiques veulent se débarrasser de ces indices externes, expliquent Morales et McClean. La raison en est la suivante: si l’information requise pour former la structure finale est complètement contenue dans chaque cellule bactérienne, alors ils pourraient facilement changer leurs structures de forme si l’environnement change – sans avoir besoin d’ordres humains.

En d’autres termes, l’élimination de la nécessité d’avoir recours à des indices extérieurs – par exemple, les substances chimiques qui guident la croissance des bactéries – est une étape nécessaire vers une matière vivante capable de s’adapter.

Circuit magique

Pour vous, la solution de contournement est théoriquement simple: vous devez programmer des instructions de structuration dans l’ADN de la bactérie, de sorte que le code génétique peut guider ce qui va où.

En pratique, la solution est beaucoup plus complexe.

Le circuit commence comme une simple boucle « on »: un gène est transformé en protéine, ce qui encourage le gène à produire encore plus de protéines. De cette façon, il reste actif jusqu’ à ce que quelque chose le retourne.

La protéine a un second rôle: elle dit à la bactérie de synthétiser une petite molécule. Cette molécule diffuse à l’extérieur de la cellule, se pose sur ses voisines et agit essentiellement comme un messager « hé, je suis là ».

Voici le point essentiel: lorsqu’elle est présente à des niveaux suffisamment élevés, la molécule active un deuxième ensemble de gènes. Ce processus produit deux types de protéines – une protéine, un interrupteur « off », qui permet de revenir au circuit d’origine et de l’éteindre.

La seconde, une protéine structurale de type velcro appelée « curli », est déposée à l’extérieur de la cellule. Comme des croquis au crayon sur un bloc-notes de designer, Curli pose le motif tridimensionnel de base qui constitue le matériau hybride éventuel.

La question de savoir si une bactérie pompe ou non du curli dépend de ses voisines. S’il y a trop de voisines, qui sécrètent toutes joyeusement la molécule, elle déclenche l’interrupteur « off » en action – plus de curli.

À l’autre extrémité du spectre, si la bactérie n’ a pas d’aide extérieure pour sécréter la molécule  » on « , alors le deuxième ensemble de gènes n’entre pas dans l’un ou l’autre des deux – même pas de curli. Le système « boucles d’or » nécessite une population de bactéries parfaitement équilibrée pour produire le modèle structurel exact.

Monde matériel

Les points noirs marquent les nanoparticules d’or qui ont été attirées à la surface des dômes sensibles à la pression construits par des bactéries artificielles. Crédit Image: Will (Yangxiaolu) Cao, Université Duke

Des dômes sensibles à la pression de nanoparticules d’or, fabriqués par des bactéries fabriquées par Duke

Pour combiner les curli avec des composants inorganiques, l’équipe a utilisé une imprimante Inkjet pour imprimer les bactéries sur une membrane et les tremper dans une mélange nutritif.

Sous le système Goldilocks, la bactérie s’est développée en une structure curieuse: de minuscules formes en forme de dôme avec des curli décorant l’extérieur comme du chia.

L’équipe a enrobé les dômes avec des particules d’or microscopiques qui se sont agrippées aux protéines de curli. Ils ont ensuite placé deux membranes identiques l’une en face de l’autre, de sorte qu’un dôme était en contact étroit avec son homologue sur la membrane voisine, et ils ont câblé chaque dôme à une lumière LED.

Lorsqu’ils sont pressés ensemble, les dômes dorés forment un circuit complet, ce qui fait que les DEL s’allument – plus la pression est forte, plus le courant est important. Les chercheurs ont ensuite montré qu’ils pouvaient manipuler la sensibilité du circuit à la pression en ajustant la quantité de nutriments disponibles pendant que la bactérie se développait.

Enfin, en reliant les chaînes de dômes les uns aux autres, l’équipe a créé un matériau semblable à un écran tactile qui pouvait détecter l’endroit où les doigts étaient écrasés sur la surface.

Circuit, aide-toi toi-même

Bien que les capteurs de pression à base de bactéries soient intéressants, les chercheurs ont souligné qu’il serait possible d’en faire beaucoup plus avec leur système d’auto-patinage.

Nous pourrions utiliser des matériaux biologiquement sensibles pour créer des circuits vivants « , affirme l’auteur de l’étude, le Dr Will Cao.

Bien que les bactéries de cette étude aient été tuées avant de recevoir leurs couronnes dorées, il n’est pas nécessaire que ce soit le cas. « Avec les bactéries vivantes, » on pourrait imaginer fabriquer des matériaux qui pourraient se guérir et répondre aux changements environnementaux « , dit M. Cao.

Mais l’équipe reconnaît que ces matériaux hybrides n’en sont qu’ à leurs balbutiements.

D’une part, bien que les bactéries puissent créer des structures ramifiées complexes, nous ne savons pas encore comment les y obliger nous-mêmes, dit-on. D’autre part, nous avons besoin de beaucoup plus de types de protéines structurales – en plus du curli – qui peuvent résister aux changements de l’environnement et à la contamination.

Mais vous et d’autres personnes sur le terrain considérez l’étude comme une première étape importante.

« Nous démontrons une façon de fabriquer une structure tridimensionnelle entièrement basée sur le principe de l’auto-organisation « , affirme l’auteur de l’étude, le Dr Stefan Zauscher. « Cette approche est inspirée par la nature, et parce que la nature ne le fait pas seule, nous avons manipulé la nature pour le faire pour nous. »

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