Comment l'asymétrie spontanée contribue à la vie
Les microréacteurs chimiques donnent naissance à une nouvelle catégorie de systèmes de matière active intelligente
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Dans la matière active non réciproque, les agents agissent différemment les uns sur les autres, ce qui semble aller à l’encontre de la troisième loi de Newton. Ce principe peut donner lieu à diverses propriétés de la matière active, telles que l’autopropulsion, la régulation moléculaire et le mouvement collectif. Un nouveau modèle décrit désormais comment de telles interactions non réciproques peuvent émerger spontanément entre des vésicules chimiquement actives. Les physiciens du département de physique de la matière vivante de l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation (MPI-DS) ont découvert que ces vésicules peuvent passer dynamiquement de l’ignorance à l’attraction, à la répulsion et à la poursuite mutuelles.
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« Dans nos travaux, nous décrivons une classe fondamentalement nouvelle de systèmes de matière active intelligents », explique Jakob Metson, premier auteur de l’étude. « Il est remarquable de constater que ces interactions non réciproques entre les vésicules émergent spontanément en brisant la symétrie des réactions chimiques », ajoute-t-il. La force motrice de ce mécanisme réside dans l’activité enzymatique au sein des vésicules semi-perméables. Celle-ci peut entraîner un gradient de concentration chimique entre l’intérieur d’une vésicule et son environnement, ce qui détermine le comportement des vésicules. Une non-réciprocité peut apparaître entre deux vésicules si la concentration de la substance chimique est plus élevée que celle de l’environnement dans l’une d’elles et plus faible que celle de l’environnement dans l’autre. De plus, à mesure que les réactions enzymatiques se poursuivent, cet état dynamique peut évoluer au fil du temps, soit spontanément, soit de manière contrôlée. La manipulation externe des réactions chimiques, par exemple en ajoutant davantage de réactifs, permet de modifier de manière significative les interactions. Il est remarquable de constater que toutes les vésicules peuvent être préparées de manière identique ; pourtant, leurs interactions sont extrêmement dynamiques et dépendent de l’évolution de leur état chimique.
Ramin Golestanian, directeur au MPI-DS, déclare : « Ce cadre conceptuel offre un degré remarquable de flexibilité pour les propriétés émergentes de la suspension active. Le paradigme conceptuel qui sous-tend nos travaux est celui des symétries émergentes et de la rupture spontanée de symétrie qui y est associée. » On pense que, aux origines de la vie, des proto-cellules présentant des propriétés similaires ont vu le jour. Le nouveau cadre théorique de cette étude offre ainsi une perspective solide sur la manière dont les propriétés définissant la vie, telles que la signalisation, la détection et le mouvement, peuvent émerger.
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