Comment la nature synthétise-t-elle des architectures cristallines extrêmement ordonnées ?

Récemment, dans un article publié dans la revue Science Advances, le professeur Emil Zolotoyabko du Technion, l’Institut de technologie israélien, et un groupe de recherche en Allemagne, dirigé par le Dr Igor Zlotnikov de l’Université de Dresde, ont réussi à percer le mystère de la formation d’architectures de verre en eau froide par certains organismes marins. Utilisant les méthodes de rayons X les plus avancées, la nanoscanographie et la diffraction focalisée des rayons X, disponibles à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) de Grenoble, le groupe a découvert les principes de la morphogenèse (l’ensemble des lois qui déterminent la forme, la structure des tissus, des organes et des organismes) des spicules dans certains types d’éponges marines.

Les éponges marines sont l’un des organismes multicellulaires les plus anciens, les plus vieux fossiles retrouvés datant de plus d’un demi-milliard d’années. Les Demospongiae et les Hexactinellida, deux classes d’éponges, synthétisent des éléments squelettiques à base de silice minéralisée, appelés spicules de verre, qui apportent à ces organismes un soutien structurel, ainsi qu’une résistance mécanique, et les aident à se protéger de leur environnement. La longueur de ces spicules est comprise entre quelques microns et quelques millimètres. Pendant la formation du spicule, le processus de dépôt de silice est dirigé par un filament organique. Ce filament, pouvant atteindre jusqu’à 3 mm de diamètre, est principalement composé de protéines enzymatiques, la silicatéine et ses dérivés, qui catalysent la bio-fabrication de la silice, ce processus étant génétiquement contrôlé par des cellules spécialisées, appelées sclérocytes.

Selon les chercheurs, la découverte la plus intrigante est que les blocs de protéines dans le filament axial sont disposés dans une structure tridimensionnelle cristalline ayant une symétrie hexagonale. Les pores à l’intérieur de cette structure sont remplis de silice amorphe. Les chercheurs ont constaté que la tige principale du spicule se développe perpendiculairement au plan hexagonal de base du réseau de protéines. A un certain moment se produit la ramification, dirigée par des plans pyramidaux inclinés d’environ 66 par rapport au plan hexagonal. De cette manière, la forme de tétrapode du spicule est produite en étant guidée par la symétrie présente dans le filament axial.

« En utilisant le filament axial cristallin, la nature a maîtrisé la fabrication de structures de verre extrêmement complexes à basse température, ce qui dépasse largement les capacités de la technologie humaine actuelle », explique le professeur Zolotoyabko. « Une meilleure compréhension de la façon dont les organismes régulent la ramification dans les filaments pourrait être adoptée dans la production de matériaux nanocristallins aux formes compliquées pour la nanoélectronique. Imiter des recettes naturelles en laboratoire nous permettra de développer de nouvelles technologies de création du verre fonctionnant à température ambiante. »

Source : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5647122/

Rédacteur : Guillaume Duret, post-doctorant au Technion