Hockey microbien : les scientifiques de l'ISTA découvrent comment les bactéries font tourner de minuscules palets et créent des matériaux inhabituels

À l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), les chercheurs s'apparentent à des forgerons lorsqu'ils travaillent avec des bactéries. Placées dans l'eau, les E. coli forment des agrégats semblables à des gels et, comme le démontre aujourd'hui le laboratoire Materiali Molli, font tourner de minuscules disques ressemblant à des rondelles de hockey en générant un couple. Financée par le Conseil européen de la recherche (CER) et publiée dans Nature Physics, cette découverte permet de mieux comprendre les bactéries dans les espaces confinés et pourrait conduire à la création de matériaux souples.

Des étincelles jaillissent. Un marteau frappe à plusieurs reprises une enclume. Coup après coup, le morceau de métal chauffé au rouge prend lentement la forme d'une épée. Satisfait, le forgeron la brandit en l'air avant de la replacer dans le four pour la réchauffer jusqu'à ce qu'elle devienne incandescente. Cette scène pourrait aisément trouver sa place dans une série médiévale fantastique telle que The Witcher ou dans des jeux vidéo comme Elden Ring.

À l'Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Jérémie Palacci, bénéficiaire d'une subvention du CER, et son groupe de recherche s'aventurent dans le domaine de la métallurgie, mais avec un certain décalage. Au lieu d'outils traditionnels, les scientifiques utilisent la bactérie E. coli, souvent associée à des infections liées à des aliments contaminés. Lorsqu'elles sont placées dans l'eau, leurs longues flagelles - les queues qui les propulsent vers l'avant - créent ce que l'on appelle un bain actif. Cet environnement dynamique contribue à la formation d'agrégats gélifiés en agissant comme un petit feu et en élevant la "température" à l'équivalent de 2000 °C, semblable à celle dont un forgeron a besoin pour fabriquer des métaux. Il parvient même à faire tourner de minuscules micro-disques.

Dans leur nouvelle publication conjointe, Daniel Grober et Jérémie Palacci de l'ISTA, ainsi que Tanumoy Dhar et David Saintillan de l'université de Californie à San Diego, révèlent le processus à l'origine de cette découverte. Ils ont mené leurs recherches dans le laboratoire Materiali Molli, situé sur le campus de l'ISTA, en collaboration avec le département de physique de l'université de Californie à San Diego.

Micro-rotors

Dans une publication parue en 2023 dans Nature Physics, Palacci, Grober et leurs collègues ont démontré que ces bains actifs alimentés par des bactéries parvenaient à propulser des colloïdes collants - des billes rondes qui se collent les unes aux autres lorsqu'elles sont en contact - pour former des agrégats gélifiés qui tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui s'explique par la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre des flagelles d'E. coli. Toutefois, la raison de ce comportement n'était pas claire.

Inspirés par une étude de 2010 dans laquelle des bactéries interagissant avec des engrenages - symétriques ou asymétriques - ne faisaient tourner que les engrenages asymétriques, Grober et Palacci ont poussé leurs recherches plus loin.

"Dans ce travail, les bactéries agissaient comme de minuscules véhicules, poussant constamment l'engrenage asymétrique à tourner", avait théorisé Palacci à l'époque.

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que la forme asymétrique pouvait également être à l'origine de la rotation des amas. Toutefois, il s'est avéré difficile de mesurer cet effet, car l'asymétrie aléatoire des amas entraînait trop de bruit dans les données.

Des "palets de hockey" en rotation

Les scientifiques ont donc dû prendre du recul et proposer une expérience pour clarifier ce qui se passait. Pour ce faire, Grober a utilisé une nano-imprimante 3D pour créer des micro-disques lisses et symétriques semblables à des palets de hockey. Après avoir introduit ces "palets" dans les bains actifs remplis d'E. coli, ils ont été surpris de les voir tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui a infirmé l'hypothèse précédente selon laquelle les formes symétriques ne tournent pas.

Les chercheurs ont également constaté qu'un palet légèrement plus détaillé, avec par exemple quatre compartiments s'étendant vers le centre, tournait encore plus vite que ses homologues plus basiques. Les espaces confinés permettaient aux bactéries d'agir comme de minuscules palettes, ce qui renforçait la rotation. Il est intéressant de noter qu'un palet à un seul compartiment sans extrémité fermée tournait dès qu'un E. coli le traversait, ce qui signifie que le contact mécanique avec la paroi de la chambre n'était pas nécessaire à son mouvement.

Interaction hydrodynamique

Palacci a précisé que le contact direct n'était pas la clé de la rotation des disques. Ce n'est pas le cas des engrenages asymétriques. La nouvelle étude montre plutôt que les E. coli qui nagent font tourner le liquide qui les entoure simplement en raison de leur mode de nage. Leur corps tourne dans une direction tandis que les flagelles tournent dans la direction opposée.

Cette action de torsion, ou couple, fait tourbillonner le liquide devant et derrière les E. coli qui nagent, créant une force de traction sur la paroi supérieure de la chambre. Même si ces mouvements de rotation s'annulent et que le centre du palet reste stable, il se crée un couple global qui fait tourner le palet. Cela s'explique par le fait que les rotations se produisent en différents points de la chambre.

Imaginez que vous essayez d'ouvrir un pot de confiture en essayant de faire pivoter le couvercle, mais que le centre ne bouge pas. Les modèles mathématiques se sont alignés sur ces observations, apportant la preuve que les E. coli sont à l'origine du mouvement par le biais d'une interaction hydrodynamique.

"Il est bien connu dans notre domaine que la rotation inverse du corps et des flagelles (queue) d'un E. coli l'incite à nager dans le sens des aiguilles d'une montre près d'une surface solide", explique M. Grober.

"Nous avons réalisé que nous pouvions inverser cette dynamique en confinant l'E. coli dans un canal microscopique sous le palet. Ces expériences utilisent exactement le même effet hydrodynamique pour créer, essentiellement, un moteur microscopique et sans contact, qui entraîne la rotation persistante du palet."

Impact sur la thérapeutique médicale et la durabilité ?

Il s'agit d'une découverte importante car la capacité des bactéries flagellées à faire tourner des objets repose sur le confinement et est cumulative et indépendante de la forme de l'objet qu'elle fait tourner. En fait, ce phénomène devrait être observable chaque fois que les bactéries se trouvent dans des espaces restreints, ce qui est courant dans la nature, que ce soit dans les biofilms, qui sont essentiels à la résistance bactérienne, ou dans les sols, où les bactéries jouent un rôle vital dans le maintien de l'équilibre de l'écosystème. "Malgré son importance, cet effet a été négligé jusqu'à présent", déclare Palacci. "Nous espérons que cette nouvelle compréhension aura un impact significatif sur les thérapies médicales ou les efforts de durabilité.