Des chercheurs de l'Université Rice ont fait une percée significative dans le domaine des matériaux vivants conçus (ELMs), révélant une nouvelle méthode pour contrôler précisément leur structure et leur réponse aux forces telles que l'étirement ou la compression. Cette découverte, publiée dans un numéro spécial d'ACS Synthetic Biology, pourrait révolutionner divers domaines, notamment l'ingénierie tissulaire, la délivrance de médicaments et même l'impression 3D d'appareils vivants.
La recherche s'est concentrée sur la modification des matrices protéiques, les réseaux de protéines qui fournissent la structure aux ELMs. En introduisant de petits changements génétiques, l'équipe a découvert qu'elle pouvait modifier considérablement le comportement de ces matériaux. Les chercheurs ont utilisé une bactérie appelée Caulobacter crescentus, modifiée génétiquement pour produire une protéine appelée BUD, qui aide les cellules à adhérer et à former une matrice de soutien.
L'équipe a ensuite varié la longueur de segments de protéines spécifiques appelés polypeptides de type élastine (ELPs) au sein des BUD-ELMs, créant trois variantes distinctes : BUD40, BUD60 et BUD80. Chaque variante présentait des propriétés uniques en fonction de la longueur de ses ELPs. BUD40, avec les ELPs les plus courts, formait des fibres plus épaisses, ce qui donnait un matériau plus rigide. BUD60, avec des ELPs de longueur moyenne, créait une combinaison de globules et de fibres, ce qui donnait le matériau le plus résistant sous contrainte d'oscillation de déformation. BUD80, avec les ELPs les plus longs, générait des fibres plus fines, ce qui donnait un matériau moins rigide qui se cassait facilement sous contrainte de déformation.
Des techniques d'imagerie avancées et des tests mécaniques ont révélé que ces différences n'étaient pas simplement cosmétiques, mais qu'elles affectaient fondamentalement la façon dont les matériaux géraient le stress et s'écoulaient sous pression. BUD60, par exemple, pouvait résister à plus de force et s'adapter mieux aux changements dans son environnement, ce qui le rend idéal pour des applications telles que l'impression 3D ou la délivrance de médicaments.
Les trois matériaux partageaient deux caractéristiques clés : ils présentaient un comportement de fluidification par cisaillement, ce qui signifie que leur viscosité diminuait sous contrainte, et ils retenaient une grande quantité d'eau (environ 93% de leur poids). Ces propriétés les rendent bien adaptés aux utilisations biomédicales telles que les échafaudages pour soutenir la croissance cellulaire dans l'ingénierie tissulaire ou les systèmes pour délivrer des médicaments de manière contrôlée.
Les applications potentielles vont au-delà du domaine biomédical. Ces matériaux auto-assemblants pourraient être adaptés pour le nettoyage de l'environnement ou des applications d'énergie renouvelable, telles que la construction de structures biodégradables ou l'exploitation de processus naturels pour générer de l'énergie.
Cette recherche, soutenue par la bourse de recherche pour étudiants diplômés de la National Science Foundation, l'Institut de prévention et de recherche sur le cancer du Texas et la Welch Foundation, souligne l'importance de comprendre la relation entre les séquences génétiques, la structure du matériau et le comportement. En identifiant comment des modifications génétiques spécifiques affectent les propriétés des matériaux, les chercheurs jettent les bases de la conception de matériaux vivants de prochaine génération.