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Un micro-karcher pour l’élastographie de matériaux mous

Dans ce projet, nous avons montré qu’un jet d’eau fin sous pression pouvait être utilisé pour indenter localement des gels et des matériaux biologiques et que le profil « vitesse du jet – aire d’indentation » permettait de remonter à l’élasticité locale du matériau. Cette méthode est particulièrement adaptée à l’élastographie de matériaux biologiques mous car la mesure se fait en immersion en milieu physiologique, et les pressions requises pour l’indentation sont facilement atteintes avec des pousse-seringues standards. L’absence de contact physique solide entre la micropipette et le matériau fait qu’on peut déduire des cartes d’élasticité par simple balayage en XY, sans cycle d’indentation en Z (comme c’est le cas en AFM par exemple). Une limitation actuelle concerne les propriétés optiques du matériau, qui doit être suffisamment translucide pour permettre d’imager l’indentation. Nous présentons en particulier :

  • L’appareillage simple nécessaire à ce type de mesure et comment réaliser sa calibration avec un ensemble de gels de références, ainsi que la qualification de la méthode par comparaison avec une mesure d’élasticité indépendante (rhéomètre à plateaux).
  • Les premiers calculs numériques fluide-structure par élément finis de ce type d’indentation. Ces calculs prennent en compte l’influence de l’hydrodynamique du jet sur la déformation du solide et réciproquement de la déformation du matériau sur l’hydrodynamique. Ils montrent notamment les formes des lignes de courant dans cette situation de « ressaut liquide sur matériau déformable ».
  • Les premières vues de profil de l’indentation de matériaux mous par un jet liquide; les formes des profils sont prédites quantitativement par les calculs fluide-structure et par des approximations analytiques.

Surprise intéressante, la cavité créée par la pression du jet oscille lorsque le débit du jet dépasse une certaine valeur, on parle d’instabilité, regardez:

 

Mesurer les propriétés mécaniques des organes embryonnaire

 La façon dont un tissu ou un organe va croître dans l’embryon est intimement relié à ses propriétés mécaniques: en proliférant (se démultipliant), les cellules exercent une pression sur le tissu environnant, qui va lentement se déformer et croître. Si on veut comprendre la forme des organes, il est donc important de  pouvoir mesurer ses propriétés mécaniques.  Ce qui n’est pas évident lorsque l’organe en question  fait 0.1 mm de diamètre et a la consistance d’une gelée molle. Cet article relate les méthodes que nous avons mises en place pour caractériser les propriétés biomécaniques de l’intestin embryonnaire.  Nous y présentons:

  • Les premières cartes d’élastographie par AFM (microscopie à force atomique) d’un tissu embryonnaire fraîchement disséqué. Outre le protocole, nous montrons que les contrastes d’élasticité au sein du tissu sont conservés après fixation chimique (en paraformaldéhyde) ce qui permet de réaliser des marquages immunofluorescents et donc de corréler l’élasticité avec le type cellulaire.
  • Un protocole de mise sous tension uniaxiale utilisant un levier en fibre de verre permettant d’appliquer des forces avec une résolution de 10 nanoNewton et de mesurer les modules élastiques du tissu.
  • Un protocole de canulation de l’intestin embryonnaire et de mise sous pression hydrostatique ou osmotique qui permet de mesurer le module élastique orthoradial de petits tissus cylindriques: intestin, artère, veine etc.

Schéma (a) et photographie (b) du banc de traction uniaxiale pour la mesure du module élastique (c) d’intestins embryonnaires. (d) Schéma et photographie (e) du dispositif de mise sous pression des intestins embryonnaires permettant de mesurer leur module élastique orthoradial. (f) Carte d’élasticité AFM (clair : raide, foncé : mou) d’un intestin embryonnaire fixé en formaldéhyde et mise en évidence de l’histologie de cette section par marquage  immunofluorescent (g, vert : neurone entérique, rouge : muscle lisse). 

Mesurer la friction entre deux cheveux : un nœud suffit

Une chevelure bien maîtrisée, c’est une chevelure bien caractérisée. Parmi les paramètres physiques du cheveu, son coefficient de friction propre est important car il joue sur la formabilité d’une coupe et la facilité avec laquelle elle se démêle : un des rôles essentiels d’un démêlant est justement de réduire ce coefficient de friction. Les méthodes jusqu’à présent développées par l’industrie des cosmétiques pour y avoir accès font intervenir des appareillages complexes, qui mesurent les forces générées lorsque deux fibres sont déplacées l’une au contact de l’autre.

Un chercheur du laboratoire Matière & Systèmes Complexes (N. Chevalier) propose une solution nouvelle et simple [1] : faites un nœud avec un cheveu, serrez-le mais pas trop, relâchez-le, regardez la boucle s’ouvrir et mesurez son rayon à l’équilibre. Le frottement entre les deux fibres dans la tresse du nœud empêche la boucle de s’ouvrir complètement : on peut donc remonter au coefficient de friction à partir de cette forme d’équilibre [2].   De manière remarquable la mesure est indépendante de l’élasticité du cheveu, car, bien que celle-ci entraîne  l’ouverture de la boucle,  elle la ralentit aussi en augmentant la pression (et donc le frottement) d’une fibre sur l’autre dans la tresse du nœud.

Le chercheur a d’abord validé quantitativement la méthode sur des fibres en nylon de coefficient de friction connu. Puis il montre que l’hydratation double le coefficient de friction du cheveu, car les écailles du cheveu gonflent et s’hérissent; le démêlant induit lui une baisse du frottement que la méthode permet de quantifier. Finalement il découvre que le produit actif des défrisants, la soude, cause une augmentation drastique de la friction. Outre les applications  de cette nouvelle méthode pour l’industrie cosmétique, les fibres traitées à la soude présentent des caractéristiques intéressantes: elles sont plus fines que les fils de sutures commerciaux, résistantes, biocompatibles et leur haute friction permet de réaliser des nœuds minuscules de haute tenue pour faire la ligature de micro-vaisseaux en chirurgie ou étanchéiser des organes embryonnaires en biologie du développement [3].

 

Références et download:

[1] “Hair-on-hair static friction coefficient can be determined by tying a knot”, N.R. Chevalier, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 159 (2017) 924-928

[2] “Elastic knots”, B. Audoly, N. Clauvelin, S. Neukirch, Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 5–8.

[3] “Measuring the micromechanical properties of embryonic tissues.”, N.R. Chevalier, E. Gazquez, S. Dufour, V. Fleury,  Methods, 94, 128  (2016).

La mise en place de la digestion chez l’embryon

Petits, nous apprenons à lire, à faire du vélo, à tenir une fourchette. Embryons, notre intestin s’entraîne à digérer : c’est ce que dévoile dans la revue PLOS ONE une équipe de chercheurs CNRS / Université Paris Diderot des laboratoires Matière & Systèmes Complexes (N. Chevalier, V. Fleury, A. Asnacios), de l’Institut Jacques Monod (V. Proux-Gillardeaux) et de l’INSERM (S. Dufour).
L’intestin propulse le bol alimentaire en créant des étranglements de sa paroi qui se propagent le long du tube digestif, on parle de péristaltisme. Les chercheurs ont mis en évidence l’apparition et le développement de cette activité spontanée chez l’embryon de poulet.
Activité spontanée de l’intestin grêle d’un embryon de poulet de 8 jours.
L’intestin ne mesure à cet âge qu’un demi-millimètre de diamètre. 

Cette activité n’a aucun rôle nutritif puisque l’embryon est alimenté en « intra-veineuse », via le sac vitellin (le placenta chez les humains) : l’intestin ne transporte à cet âge que du fluide amniotique mêlé de bile et de débris cellulaires. Pour parvenir à observer ces mouvements, les chercheurs ont isolé l’intestin de l’embryon: pourvu en sucre et en oxygène, celui-ci continue à battre indépendamment de l’organisme ; le mouvement s’amplifie même de manière autonome lors de la culture de l’organe en incubateur.

Alors que les mouvements de digestion chez l’adulte sont impulsés par le système nerveux entérique (les neurones implantés dans la paroi de l’intestin), les chercheurs ont montré que le péristaltisme embryonnaire est d’origine purement musculaire : il apparait dans des colons dits « aganglioniques » (dépourvus de nerfs), n’est pas affecté par une neurotoxine puissante, et précède la différentiation des cellules dites de Cajal.

Ces résultats, qui corroborent des recherches récentes sur la souris*, permettent d’échafauder un scénario d’apparition vraisemblable du réflexe digestif chez les êtres vivants: la propagation d’onde résulte d’une instabilité de cellules musculaires couplées entre elles; les neurones, accolés aux muscles, pourraient amplifier et apprendre à gérer cette dynamique plus tard durant le développement de l’organisme.

Ces recherches permettent de mieux appréhender la mise en place de mouvements physiologiques élémentaires durant le développement, et donc d’en comprendre aussi les dysfonctionnements dans les cas de pathologies intestinales.


Ces recherches ont été financées par le Labex « Who Am I? » (ANR-11-LABX-0071) et l’Idex (ANR-11-IDEX-0005-02).
*Roberts RR, Ellis M, Gwynne RM, Bergner AJ, Lewis MD, Beckett EA, et al. J Physiol. 2010;588: 1153–1169.

L’histoire du blaireau

Les rayons X ont une longueur d’onde de quelques Angström (10-10 m), soit l’équivalent des distances inter-atomiques de la matière. Les cristaux, qui sont des empilements réguliers d’atomes en 3 dimensions et constituent une des deux grandes classes de matériaux solides sur cette planète*, agissent de fait sur les rayons X comme des réseaux de diffraction parfaits. Le phénomène est exactement le même que les couleurs iridescentes des CDs : elles sont dues à la diffraction des longueurs d’ondes de la lumière visible (~500 nm) par les petites cavités rectangulaires de ~500 nm creusées à intervalle régulier dans le disque. Remplacez les cavités du CD par les atomes du cristal qui sont 1000 fois plus petits, prenez des longueurs d’ondes 1000 fois plus courtes (rayons X) et l’effet obtenu sera le même : une iridescence. Si on illumine maintenant le CD avec un laser (= une longueur d’onde bien définie) dans l’obscurité, on observe en réflexion des tâches discrètes et non plus un continuum de couleurs. On peut déduire de la disposition de ces tâches la taille des cavités du CD et leur périodicité. Redescendons à l’échelle du cristal : c’est ainsi qu’on en déduit l’agencement des atomes dans les cristaux. L’enjeu est énorme et a fait explosé notre connaissance de la matière, autant inerte que biologique**. Une application des rayons X consiste à les utiliser pour identifier des échantillons inconnus. On concasse le matériau finement et on mesure son spectre de poudre en faisant tourner la source de rayons X et le détecteur en même temps, de sorte que l’un et l’autre fassent toujours un même angle θ par rapport à la verticale, ce qui est juste une façon un peu sophistiquée de regarder l’iridescence:

diffarction2

Sur le dessin ci-dessus qui schématise un cristal en deux dimensions, on voit qu’il y a deux types de plans : les plans parallèles (1) et les plans diagonaux (2). Les atomes sont plus éloignés les uns des autres dans les plans diagonaux que dans les plans parallèles ; les deux vont donc diffracter à deux  angles différents, et on aura un spectre à deux pics. Dans la réalité les cristaux ont 3 dimensions, donc il y a un certain nombre de plans et de pics en plus, voila l’allure d’un spectre de poudre pour le calcaire des falaises de Fécamp (crédit ©Sandra Beaufils/Normandie-actu) :

 eboulement-falaise-seine-maritime-630x0powderpattern

Ce spectre est unique au cristal de calcaire et permet de l’identifier sans ambiguïté; les spectres de tous les cristaux possibles (diamant, métaux etc.) sont enregistrés dans des bases de données telles que Mincryst et permettent, par comparaison, d’identifier le matériau ou le mélange de matériaux inconnu.

Dans le croquis ci-dessus, seuls  les plans atomiques bien horizontaux diffractent des rayons X dans le détecteur. Les autres plans et ceux de tous les cristaux qui sont orientés différemment diffractent aussi, mais pas dans le détecteur. C’est comme un arc-en-ciel, toutes les gouttes d’eau dans un nuage réfléchissent mais c’est juste la lumière issue de celles qui sont à 42° au dessus de votre horizon qui vous atteint. On comprend donc que pour qu’un spectre de poudre soit reproductible, il faut que les cristaux soient orientés de façon complètement aléatoire, de sorte qu’en proportion chaque plan atomique ait autant de chance qu’un autre de se retrouver à l’horizontale. C’est justement ce qui a lieu dans une poudre. Si au lieu d’une poudre nous mettons un énorme cristal de calcite (crédit http://sacura.com), il ne reste plus qu’un pic, celui du plan d’atomes sur lequel est posé le cristal :

calcitespectre_unpic

Venons en à notre découverte. Les scientifiques des matériaux s’attachent à comprendre comment s’orientent les cristaux durant leur croissance, et en particulier comment ils s’orientent si on les fait pousser sur un autre matériau (on parle d’épitaxie), par exemple pour réaliser des pastilles de silicium bien orientées pour les ordinateurs, ou pour comprendre  pourquoi tous les microcristaux dans une huître ou dans un bout de tibia ont la même orientation (j’en parle ici). Une méthode qui a été conçue il y a  40 ans est de faire pousser les cristaux à la surface d’une solution sursaturée, au contact d’un film de molécules de surfactant (~savon) et de voir en quoi la croissance est modifiée, orientée, accélérée, etc. Les cristaux de calcite sont 3-4 plus denses que l’eau, c’est la tension de surface du liquide qui les empêche de couler au fond, c’est exactement le même phénomène qui maintient ces insectes à la surface de l’eau:

insectes2

Au lieu de faire pousser les cristaux à partir du bain, j’ai inauguré une nouvelle méthode qui consiste à les déposer doucement à l’interface, grâce à un blaireau de rasage, objet devenu si emblématique de cette période de mes recherches au CEA que j’en ai fait le titre de cet article. Pour tout vous dire en réalité il s’agissait d’un vieux pinceau, je n’ai jamais eu de blaireau et je n’ai pas de barbe. On forme un nuage, qui lentement descend à la surface, s’agrège et forme un radeau, comme ci:

brush

 La nouveauté, c’est que ce radeau de poussière est immédiatement parfaitement orienté, même en l’absence d’adjuvant. Voici son spectre :

onwater

Miracle, c’est celui du monocristal ! En d’autre terme, on prend un monocristal, on le broie, on disperse ses cendres et l’on retrouve le monocristal, enfin tout du moins son signal. En découvrant cela, j’ai commencé par rafler tous les solvants possibles du placard de chimie du CEA. Observerait-on une orientation différente à la surface de l’huile ? De l’éthanol ? Du glycérol ?  Et quid des autres minéraux ?

Les radeaux de cristaux de calcite à la surface de l’éthanol étaient agités de mouvements violents :

agitation_ethanol

Ceux à la surface du glycérol formaient de nombreux petits agrégats, comme des planétoides émergeant d’une nébuleuse visqueuse. La fluorite (CaF2) formaient des nappes cohésives et ridées à la surface de l’eau:

nappe_caf2

Mais quelque soit le liquide, pour un minéral donné, on observait la même orientation. Je vous laisse réfléchir au pourquoi du comment du phénomène, si vous séchez la solution se trouve dans cette étude publiée récemment avec P. Guenoun ainsi que dans ma thèse.

* L’autre  grande classe sont les matériaux amorphes, dont le verre est l’exemple emblématique. Il existe des matériaux en dégradé entre ces deux extrêmes, la cire de bougie par exemple, qui présente des petites zones cristallines, mais est amorphe à plus grande échelle.

** On peut en effet cristalliser les protéines et remonter à leur structure grâce aux rayons X

La formation du système nerveux de l’intestin

Peut-être le saviez vous déjà, nos intestins grouillent de neurones.  Il y en a 100 millions, soit autant que dans le cerveau d’un labrador, mais 1000 fois moins que  dans notre vrai grand cerveau, celui là-haut. Alors que le cerveau concentre les neurones dans une seule grande masse, ceux du système nerveux entérique (enteros ~ entrailles ~ intestin ~ intérieur) forment un filet qui tapisse l’intestin tout du long, et du long il y en a, nos intestins mesurent 7 m en moyenne, rajoutons le colon et arrondissons on est à 10 millions au mètre. Ce filet de neurones le voici :

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Pour obtenir ce cliché, j’ai disséqué un intestin d’embryon de poulet de 9 jours, l’ai rendu perméable en ajoutant du Triton, qui est une sorte de savon qui va ouvrir les pores des cellules, et ai ajouté des anticorps fluorescents qui reconnaissent spécifiquement les neurones. Fluorescent, c’est-à-dire qu’on les illumine avec une couleur et ils émettent dans une autre couleur, plus chaude, typiquement ici on éclaire en bleu et ca ressort en vert. Comme le reste du tissu n’est pas fluorescent, on est ainsi capable de voir des structures internes totalement invisibles à l’œil nu et qui se détachent du fond aussi nettement que si les neurones arboraient de petits néons au milieu d’une nuit noire. C’est formidable.

Nous savons depuis la fin du 19ème siècle que des neurones sont présents dans l’intestin. Les neurones sont partout dans notre corps, ils forment les nerfs, qui relient chaque cm² de notre peau, de nos muscles, de nos glandes à notre système nerveux central (SNC = cerveau + moelle épinière). La particularité du sytème nerveux entérique (SNE) est que, contrairement aux autres organes dont les signaux sont traités via le SNC, ceux du SNE fonctionnent  de manière quasi-autonome : un intestin peut continuer à fonctionner et à digérer en l’absence de connections au cerveau,  c’est ce qu’ont démontré Bayliss et Starling dans une expérience célèbre de 1899 et digne d’un roman de Mary Shelley, où des intestins de chien étaient mis dans des bains de culture et acheminaient lentement mais sûrement les objets présentés à l’un de leur orifice. L’autonomie du SNE par rapport au SNC lui vaut son surnom : le « second cerveau ». Ce second cerveau fait actuellement l’objet de questionnements innombrables : Alzheimer et Parkinson affectent le cerveau, affectent-ils aussi l’intestin ? Serait-il possible de développer des biopsies de neurones du colon pour détecter ces maladies ? Peut-on détecter les signaux électriques des neurones de l’intestin (oui : cela s’appelle l’éléctroentérographie) ? Peut-on utiliser ces signaux pour diagnostiquer ou aider les personnes souffrant de troubles digestifs ? Comment fonctionne le SNE ?

Au laboratoire MSC, avec Vincent Fleury et Carine Vias et en collaboration avec des biologistes (S.Dufour,  S.Germain), nous nous sommes penchés sur les origines embryonnaires du système nerveux entérique. L’intestin se forme par  le repliement de couches de cellule, comme ça :

repliement_intestin_small

On pourrait penser que les neurones sont présents dans les couches du pli et se différencient progressivement. Les choses sont plus tordues. On a trouvé dans les années 1940 que les neurones proviennent d’une population de cellules groupées le long de la colonne vertébrale, les cellules de la crête neurale. Ces cellules se dispersent très tôt durant la formation de l’embryon, vous les voyez ici s’éloigner de l’axe de l’embryon en une nappe (crédit film V. Fleury):

Une partie de ces cellules rentrent dans la bouche, migrent à l’intérieur de la paroi du tube digestif, œsophage, estomac, intestin et colon, dans cet ordre, puis se différencient en neurones. Ce voyage cellulaire a lieu de la 4ème à la 7ème semaine de développement de l’embryon humain, et se retrouve chez tous les vertébrés. Au labo on arrive à faire sortir les cellules de la crête neurale de l’intestin (de poulet, tube noire de la vidéo ci-dessous), dans un gel (partie claire) dans lequel on a mis une protéine (GDNF) qui attire les cellules hors de l’intestin.

C’est à peu près les mêmes mouvements cellulaires qui ont lieu durant la conception de votre intestin. Plus les cellules sont en arrière du front de migration, moins elles migrent car elles commencent à se différencier en neurone, et les neurones ont moins la bougeotte. Tout cela est très bien visible sur cette photo :

cone_migration

La colonisation du tube digestif par les crêtes neurales suit un agenda serré : les cellules ne doivent par exemple pas se différencier trop tôt, sans quoi des parties de tube digestif restent dépourvus de neurones, résultant en une aganglionose (absence de nerfs) colonique, aussi appelé maladie de Hirschsprung. Cette affection du colon touche un enfant sur 5000, et donne lieu à une constipation létale si elle n’est pas traitée en urgence à la naissance. On a découvert pour environ 50% des cas de maladie de Hirschsprung un ou plusieurs gènes associés à la maladie – l’autre moitié des cas est une masse noire dont on ne sait si elle est d’origine génétique, multi-génétique ou environmental, et qui donne bien du fil à retordre aux chercheurs.

Pour avancer à l’intérieur d’un tissu, les cellules de la crête neurales doivent s’accrocher à de la matière, à des fibres, aux autres cellules, pour pouvoir se propulser en avant : elles ne pourraient migrer dans un liquide. C’est ce qu’on voit très nettement sur cette photo, où les flèches vers l’intestin indiquent les déplacements de poussières dans le gel (élastique) sous l’effet de la force de traction des cellules migrantes:

traction

En même temps elles doivent pousser les autres cellules pour pouvoir se faire une place et se frayer un chemin au sein du matériau intestinal, elles ne pourraient migrer dans une masse compacte et rigide. C’est d’ailleurs l’effet dominant que nous avons mesuré en utilisant des gels plus ou moins durs (la rigidité en Pascal est en abscisse) :

migration_siffness

Ce dernier effet est soit d’origine physique (il est plus facile de planter une aiguille dans un matériau plus mou), soit d’origine chimique, car les crêtes neurales sécrètent des enzymes qui dégradent les fibres de collagène pour progresser. D’ailleurs si on inhibe ces enzymes, nous avons prouvé que le front ne progresse plus au sein du gel.

Nous avons par ailleurs trouvé en réalisant des études micromécaniques sur l’intestin embryonnaire [LIEN] que celui-ci se rigidifie au cours du développement embryonnaire, car le collagène se structure et les muscles se différencient peu à peu.  Ces mesures nous ont amené à suggérer que plus les cellules progressent au sein de  l’intestin, plus elles rencontrent un matériau développé et dur, et donc ralentissent en conséquence. C’est effectivement ce qui est observé physiologiquement1. Il ne semble toutefois pas que ce mécanisme soit suffisant pour expliquer à lui seul l’arrêt du front de propagation des cellules qui cause la maladie de Hirschsprung. En effet d’autres chercheurs 2,3 ont trouvé que même un front de colonisation très en retard sur la chronologie normale est capable de coloniser (quoique lentement) des parties d’intestins distales bien développées.

Une autre conclusion importante concerne les enzymes de dégradation du collagène : les gènes codant pour ces enzymes pourraient-ils être mutés chez les patients de Hirschsprung, ce qui empêche les crêtes neurales d’avancer dans le colon ?  C’est une des des nombreuses pistes que nous explorons pour essayer de mieux comprendre les causes de l’aganglionose colonique, et en savoir plus sur la migration des cellules de la crête neurale en général. En effet outre le système nerveux de l’intestin, les crêtes neurales forment le système nerveux périphériques (l’innervation),  la pigmentation cutanée, les os de la mâchoire, des oreilles, des valves cardiaques etc. L’ensemble des pathologies génétiques liées à des défauts de migration de la crête neurale porte le nom de « neurocristopathies ». Ainsi on trouve des patients atteints par exemple d’aganglionose du colon et d’une dépigmentation car c’est la même population de cellule qui est en cause.  Quel rapport entre pigments et neurones ? Des évolutionistes suggèrent que les neurones sont des espèces de cellules photovoltaïques solaires dérivées des pigments cutanés 4.

Vous trouverez tous les détails de notre étude ici.

(1)         Druckenbrod, N. R.; Epstein, M. L. The Pattern of Neural Crest Advance in the Cecum and Colon. Dev. Biol. 2005, 287, 125–133.

(2)         Hotta, R.; Anderson, R. B.; Kobayashi, K.; Newgreen, D. F.; Young, H. M. Effects of Tissue Age, Presence of Neurones and Endothelin-3 on the Ability of Enteric Neurone Precursors to Colonize Recipient Gut: Implications for Cell-Based Therapies. Neurogastroenterol. Motil. 2010, 22, 17–19.

(3)         Barlow, A. J.; Dixon, J.; Dixon, M. J.; Trainor, P. a. Balancing Neural Crest Cell Intrinsic Processes with Those of the Microenvironment in Tcof1 Haploinsufficient Mice Enables Complete Enteric Nervous System Formation. Hum. Mol. Genet. 2012, 21 (8), 1782–1793.

(4)         Jeffery, W. R.; Strickler, A. G.; Yamamoto, Y. Migratory Neural Crest-like Cells Form Body Pigmentation in a Urochordate Embryo. Nature 2004, 431 (7009), 696–699.

Coquilles d’huîtres

Ce papier est une contribution modeste  à notre compréhension de la biominéralisation. La biominéralisation est l’étude de la formation et de la structure de tissus biologiques minéralisés : les os, les dents, les bois du cerf, les coquilles d’oeuf, d’huître, etc., les exemples sont nombreux et je vous invite à consulter ma thèse ou les excellents livres de S. Mann ou  H.A. Löwenstam pour en avoir un aperçu plus complet. J’ai visité récemment la galerie d’anatomie comparée du MNHN à Paris, qui est le repère du biominéral et n’a rien à envier au musée Rodin:

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Le fait est : le vivant s’est approprié la phase cristalline de la matière pour mastiquer, se protéger, s’élever, toutes actions qui requièrent un matériau dur et dense.  Il a composé avec les atomes qui constituent par ailleurs une large part de notre organisme : le calcium, le phosphate, les carbonates,   qui présentent tous un seuil de précipitation bas, de sorte que les conditions de concentrations requissent pour initier la cristallisation  ont pu être réunies facilement au cours de l’évolution.

Des dépôts  passifs voire accidentels (on pense aux calculs rénaux) de minéraux au sein d’un organisme ont probablement été les précurseurs des biominéraux. Ces derniers vont cependant plus loin que la simple concrétion calcaire par un certain nombre de caractéristiques fascinantes: ils sont structurés, s’organisant en motifs hiérarchiques, ie, pour l’os on trouve tout en bas de l’échelle des nano-cristaux d’apatite reliés à des fibres de collagène, ensemble qui est tressé avec d’autres pour former une première hyper-structure, qui va à son tour s’entortiller autour d’une autre etc.

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Le vivant exerce un contrôle actif sur la formation du minéral : des cellules spécialisés (ostéoblastes et ostéoclastes pour l’os) entretiennent la structure pour qu’elle s’adapte à notre croissance et déposent ou résorbent l’os où il faut et quand il faut, en fonction notamment des contraintes mécaniques locales. Le minéral est déposé de manière orientée, ie l’axe cristallographique est en relation avec la morphologie générale du biominéral et la phase cristalline déposée est contrôlée avec précision:

huitre2

Une des questions essentielles qui ne manque donc de  tarauder les chercheurs est : comment l’organisme s’y prend t-il ? Le premier indice est à trouver du côté  des protéines. Dans la nacre d’huître par exemple, 95% de la masse est du calcaire, les 5 % restant sont organiques. On y trouve de la chitine, qui est l’équivalent de la cellulose du bois pour les huîtres, mais aussi des protéines, certaines solubles, d’autre moins.  On a peu à peu découvert que ces protéines  sont sécrétées spécifiquement au niveau du manteau minéral, et qu’elles semblaient avoir été conçues pour s’associer au cristal. Il est maintenant bien établi qu’elles agissent comme de véritables catalyseurs de la minéralisation. Chez la poule, l’ovocléine est la protéine qui permet à la poule de récouvrir chaque jour en 20h son oeuf d’une couche millimétrique de  carbonate de calcium.

Comment fonctionnent ces catalyseurs ? Décelant dans la fraction protéique de la nacre d’huître des quantités significatives de protéines conformées en feuillet beta, qui est une structure ou la protéine s’enlace pour former un feuillet, S. Weiner et ses collègues de l’Institut Weitzmann ont lancé l’hypothèse suivante : le feuillet pourrait « mimer » une face du cristal si les acides aminés chargés + et – de la protéine sont répartis  à la façon des charges des ions qui composent la face du cristal en question.  Si ce n’était pas clair, voici un dessin extrait de leur article:

protein

On parle d’épitaxie, et dans ce cas d’épitaxie entre une molécule biologique et un cristal: on est pile au coeur du bord du goufre qui sépare les deux mondes de la chimie moderne, l’organique et l’inorganique. Or les charges semblaient à peu près être au bon endroit. Mais comme personne n’avait cherché à voir si épitaxie effectivement il y avait, nousnous y sommes attelés.

L’idée de base est de voir si le cristal – de calcaire de l’occurrence, car nous nous sommes penchés sur l’huître, qui est un peu aux chercheurs en biominéralisation ce que la drosophile est aux généticiens – si le cristal donc est orienté lorsqu’il croît au contact du feuillet en question et si on aurait pu prédire l’orientation à partir d’un modèle simple d’épitaxie. On utilise des rayons X pour mesurer l’orientation des cristaux et l’idéal est de mettre la coquille directement dans un faisceau. C’est peut-être faisable, mais nous avons opté pour une option plus minimaliste que voici, on appelle cela un « système modèle »:

modele

La protéine est déposée à l’état pure à la surface de l’eau où elle forme un film très fin. Le calcaire est en dessous, à l’état dissous, mais ne tarde à se déposer en surface par dégagement de CO2 ( le même dégagement à chaud explique pourquoi votre bouilloire est entartrée). On suit grâce aux rayons X simultanément la croissance du calcaire, et la structure du feuillet de protéine – comme celui-ci est très fin, on a besoin d’un faisceau intense issue d’une source synchrotron que nous sommes allés trouver à Hamburg:

schnitzel7

Le résultat ressemble à cela:

Un ange un peu démoniaque est en calcaire. Cette photo a gagné le 2ème prix du concours Art et Science  organisé par Doc'Up et l'université de Jussieu

Photo, qui, précisons-le, a remporté le 2ème prix du 1er concours Arts et Science de l’université Jussieu. A la remise on m’a précisé qu’elle aurait pu remporter le premier si je n’avais dit à un des jurés que « perso, je ne l’accrocherais pas dans ma salle de bain ». La phase minérale tordue qui croît au contact du feuillet beta est  de la vatérite, qui est la phase la moins stable du CaCO3, c’est à dire que les atomes auraient pu s’organiser autrement, en calcite par exemple, et avoir une énergie moindre. Il n’y a pas, à ma connaissance,  de vatérite dans l’huître, et celle-ci n’était d’ailleurs pas orientée, mettant prématurément fin à nos rêves d’épitaxie. Nous avons quand pu mettre en évidence  un effet catalytique du feuillet sur la production de minéral. Au regard des heures de travail fournis, ces résultats sont évidemment décevants: j’évite depuis de travailler sur des systèmes modèles.

La température idéale du Linac

Un linac est un accélérateur de particules linéaire : on crée les particules à un bout, à la source, on les accélère tout le long et on vient généralement les écraser sur une cible ou un autre faisceau de particules en fin de course. Dans le cas de l’accélérateur MYRRHA qui sera peut-être un jour construit sur le site de Mol, en Flandres, l’objectif est de bombarder les déchets hautement radiotoxiques de l’industrie nucléaire pour les transmuter en des éléments de demi-vie plus courte et mieux gérables  sur les échelles de temps de la civilisation humaine. Les accélérateurs de particules modernes utilisent des cavités radio-fréquences supra-conductrices qui ressemblent à ça:

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La cavité est un résonateur pour le champ électrique au même titre qu’une flûte va piéger les modes propres acoustiques do ré mi etc.  En un point de la cavité, le champ électrique va osciller dans le temps à des fréquences de l’ordre du MHz.  Le but étant d’accélérer la particule, on comprend qu’il faut mettre en place une stratégie astucieuse pour qu’un champ RF ne la fasse pas simplement se dandiner sur place. Cette stratégie, la voici :

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On se débrouille pour que la particule pénètre dans la cavité  au moment où le champ la propulse. Le temps que celui-ci s’inverse,  la particule est déjà à l’abri, entre les deux cellules de la cavité, dans un petit tunnel qui écrante les champs électriques. Au moment où elle en sort   le champ dans la seconde cellule est à nouveau favorable, etc. On voit tout de suite que plus la particule va vite, moins elle mettra de temps à parcourir une cellule, plus les changements du champs devront s’effectuer prestemment: c’est pour cela qu’on trouvera des grosses cavités basses fréquences (les contrebasses) en début de linac, et des petites, à hautes fréquence (les violons), à l’autre bout, où les particules sont accélérées à des vitesses proches de celles de la lumière.

On fabriquait les premières cavités RF en cuivre, qui s’échauffait sous effet Joule, limitant les champs électriques maximums applicables. Depuis, on est passé à des cavités supra-conductrices et un matériau s’est imposé comme un des rares, sinon le seul, à allier les caractéristiques mécaniques de formabilité à une température de transition supraconductrice raisonnable, le niobium (Nb), métal que l’on trouve dans des mines en Australie et au Brésil. Pour être supra-conducteur, le niobium doit être maintenu en dessous de 9 degré Kelvin, soit à -265.4 °C, ce qui est réalisé par le trempage en continu de la cavité dans un bain d’hélium liquide.  Les supra-conducteurs ont la caractéristique remarquable d’avoir une résistance électrique nulle sous leur température critique, et donc de ne pas s’échauffer par effet Joule, en courant continu. A haute fréquence (MHz), comme dans les cavités RF, même un supraconducteur présente en réalité une petite résistance (notée Rbcs), qui va dépendre de la pureté du matériau,  de la fréquence du courant, de la température (extrait de K.Saito et al., Proceeding of 1999 Workshop on RF Superconductivity):

bcs

Dans le cas d’une cavité en niobium maintenue dans un bain d’hélium liquide et utilisée pour des faisceaux typiques de ceux d’un accélérateur, on dissipe environ 5-30 W, soit l’équivalent d’une ampoule à économie d’énergie. Cela paraîtrait marginal si ces quelques watts n’atterrissaient directement dans le bain d’hélium liquide du circuit de refroidissement . La loi de Carnot stipule qu’une machine consommant de l’électricité pour produire du froid (un frigo) doit être d’autant plus alimenter que   la différence de température entre sa partie chaude (l’hélium  à température ambiante que l’on livre à l’accélérateur) et sa partie froide (le bain de la cavité) est grande. Le calcul montre que chaque watt perdu dans un bain à 4K coûte 75 W en électricité; chaque watt perdu à 2K en coûte le double, 150W, et cela augmente indéfiniment au fur et à mesure que nous nous approchons du zéro absolu.

Résumons: plus la température baisse, moins la cavité dissipe de chaleur;  le coût électrique par watt dissipé dans le réfrigérant augmente lui cependant de manière abrupte. Il existe donc une température optimale qui doit permettre de minimiser la consommation électrique globale de la réfrigération du linac. L’objet de ce travail mené en collaboration avec mes collègues d’ACS, Jean-Pierre Thermeau et Tomas Junquera notamment, fut de calculer la température optimale et de dimensionner le réfrigérateur hélium du futur accélérateur MYRRHA.

Des diamants d’or et d’argent

Les cristaux sont des empilements réguliers d’atome. Or vu de loin, un atome n’est autre qu’une boule, et un cristal un empilement de boules, on prend souvent les oranges des étalages pour exemple, pour changer voici des reine-claudes:

reineclaude

Bien sûr la différence entre cet empilement et un vrai cristal est que les reines-claudes roulent lorsqu’on incline le cageot: il n’y a aucune cohésion. Dans le cristal, de sel de Guérande par exemple, ce sont les charges électrostatiques opposées (Na+ et Cl-) des ions qui le composent qui assurent ce rôle. Pour trouver une analogie plus fidèle, il faut donc apporter un peu de cohésion, un peu de glu: c’est ce que nous avons fait avec K. Bishop de l’Université de Pennsylvanie et B. Grzybowski de la  Northwestern University, en considérant comme constituants élémentaires du cristal non plus l’ion, mais des nanoparticules de charges opposées. On obtient celles-ci par précipitation de métaux nobles (or et argent) dans des mélanges non miscibles (type eau-huile), donnant autant de petites billes d’or et d’argent qu’il y a de gouttes dans l’émulsion. On recouvre ensuite   chacune des billes avec un surfactant, une molécule dont une extrémité va s’accrocher à l’or (ou l’argent) et l’autre présenter une charge.  Le résultat ressemble schématiquement à cela:

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Les nanoparticules font une dizaine de nanomètres de diamètre, soit 20-100 fois plus qu’un ion (qui se mesure plutôt en dixième de nanomètre).  On peut ainsi obtenir deux fioles de produit, l’une avec des nanoparticules moins et l’autre avec les plus. Bien sûr, aucune des fioles n’est chargée en soit : le contrepoids en charge électrique est assuré par les bien nommés contre-ions, qui ont fait le voyage avec le surfactant, et orbitent à proximité des nanoparticules chargées un peu comme un nuage de mouche autour d’un fruit bien mûr.

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Très loin de la bille, les contre-ions masquent totalement la charge qu’elle porte, on dit qu’ils écrantent; il faut se rapprocher près (en deçà de la longueur de Debye) pour commencer à sentir le champ électrique d’une nanoparticule.  Lorsqu’on mélange la fiole + avec la fiole -, on s’y attendait, les billes cristallisent. Pour des billes de tailles égales et de charges égales (mais opposées) l’arrangement le plus compact, le plus favorable devrait être celui du chlorure de césium (CsCl). L’expérience montre  qu’on obtient en réalité une structure différente, plus lâche, celle du diamant. les chimistes (G. Stoyev, XXXX) du laboratoire de M. Grzybowski  venaient de produire des diamants d’or et d’argent.

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Ce fût le point de départ de nos recherches. Pour saisir pourquoi une assemblée de bille s’organise en diamant, il nous a fallu comprendre d’abord comment deux billes interagissent l’une avec l’autre. De loin, elles sont écrantées et n’interagissent pas. Au fur et à mesure qu’on les rapproche, la charge globale de l’ensemble des deux billes va progressivement tendre vers zéro, les contre-ions ont de moins en moins de charges à compenser et regagnent la solution : le rapprochement s’accompagne d’un dégagement d’ions.

rapprochement

Ce faisant , le système est plus dispersé (une fraction des ions n’orbite plus autour des billes), on dit qu’il a gagné en entropie, ce qui rend le rapprochement des nanoparticules d’autant plus favorable. Dans le cas d’un cristal, on est en présence d’un grand nombre de billes. Si les billes ont exactement les même charges, les contre-ions sont totalement expulsés de la maille, l’équilibre des charges est assuré par la compensation des billes moins et des billes plus. Cependant s’il y a un petit déséquilibre de taille ou de charge entre les billes moins et les billes plus, celui-ci va être neutralisé par les contre-ions, qui se logent dans les espaces interstitiels.  On aboutit à un système mixte où les charges sont à la fois portées par les billes et par une mer d’ions dans laquelle baigne le cristal.

Avec K. Bishop nous avons pu montré que les espaces interstitiels plus importants du diamant conféraient plus de liberté, d’entropie aux contre-ions, ce qui rend cette structure favorable comparée aux niches compactes du CsCl, comme on le voit sur ce diagramme de phase:

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Ceci semble  fournir une explication raisonnable des résultats de nos collègues chimistes et donne des bases théoriques pour la conception d’un diamant colloïdale (pas celui-ci mais celui-là). Le papier complet est ici.

La saponification en deux dimensions

Je suis particulièrement fier de cet article car c’est mon premier article.  Tout étudiant en thèse aura connu ce sentiment de nullité qui l’accapare quand il constate avec horreur que deux, voire trois ans de thèse se sont écoulés et qu’il n’a toujours rien publié. Le sentiment s’était cristallisé dans mon cas en un véritable complexe : je ne suis pas au standard, je n’ai pas la Rigueur, et patati patata. C’est donc avec un soulagement immense que la plupart des thésards accueillent la nouvelle de la publication de leur premier article, et je n’y fis pas exception: c’est un peu l’équivalent d’un dépucelage en matière de science.

Le titre initial de l’article était quelque chose du genre  » saponification 2D en AFM liquide », ce qui nous avait valut une première salve de critiques virulentes, « quels savons ? « , « l’AFM n’est pas un liquide voyons » etc. mais c’est avec plaisir que je récupère ce titre qui me plaisait bien au profit de ce billet.

Eugène Chevreul, que voici, découvrit la réaction de base de la saponification que nous apprenons au lycée et qui consiste à mélanger de la graisse animale à une substance alcaline, de la soude par exemple.

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La graisse animale contient des acide gras, de longues chaînes de carbone, assemblées sous forme de triglycérides (trois chaînes nouées à un bout): la réaction de saponification va conduire à la dissociation du triglycéride et la formation d’un sel d’acide gras, qui ressemble à ça :

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 Dans cette étude, nous considérons la toute dernière étape de la réaction de saponification, quand le triglycéride est déjà dissocié. La situation de départ de notre réaction chimique est épurée au possible pour simplifier l’observation, nous partons d’un film d’épaisseur monomoléculaire – on parle d’une monocouche –  de l’acide gras en question. On l’obtient par  le procédé dit de Langmuir-Blodgett, qui consiste à déposer d’abord la molécule d’intérêt à la surface de l’eau, puis à faire traverser la surface par l’objet à recouvrir. C’est un peu comme l’huile d’olive qu’on rajoute dans l’eau de cuisson des pâtes : elle se dépose au moment où la nouille traverse l’interface. Pour ses travaux sur les nouilles, euh sur les films monomoléculaires, Langmuir a reçu le prix Nobel de chimie en 1932 et donné son nom à la revue dans laquelle nous avons publié les observations que je suis sur le point de vous relater.

Nous partons donc d’une couche monomoléculaire dans l’eau que nous observons à l’aide d’un instrument formidable que j’évoquerai dans un prochain billet, le microscope à force atomique (AFM). Pas un ion dans les parages. A l’instant t0, j’ajoute de la soude, et voici ce qui arrivait sous mes yeux écarquillés, un mercredi soir vers 20H au Commissariat à l’Energie Atomique:

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Des îles. Je distinguais même après quelques heures un chien St Bernard :

Na2CO3-Phase-Histogram

 

Nous fûmes fort intrigués. La soude déprotonait les acides gras, c’est à dire décapsulait l’atome d’hydrogène pour y laisser un électron, une charge. Mais pourquoi charger le film, et donc augmenter la répulsion électrique entre acide gras voisins conduisait-il à l’apparition de plaques condensées ?

Le travail minutieux d’analyse auquel nous nous livrèrent  égrena les indices un à un: les plaques avaient l’épaisseur de deux couches, ni plus ni moins; au terme de la réaction les plaques occupaient exactement la moitié de la surface du substrat. A l’évidence, une moitié de notre couche se rabattait sur l’autre, comme une crêpe. L’expérience marchait en utilisant en lieu et place du sodium Na+ le potassium K+, le Lithium Li+, mais était inhibée par les ions divalents comme le calcium Ca2+. Les plaques étaient de nature hydrophobe, c’est à dire qu’elles exposaient leur partie grasse à l’eau. L’arrangement des molécules dans la couche devait être quelque chose comme ça :

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et il n’était pas très clair quelle était la marmelade au milieu, ni pourquoi la partie grasse de la monocouche se détachait de son substrat (gras) pour aller exposer sa graisse  à l’eau,  ce qui semblait en tout point contraire à l’idée forte et juste que l’eau n’aime pas la graisse. La clé du mystère, comme nous le découvrirent plus tard, résidait dans la nature de la marmelade, la voici :

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Les ions sodium dans cet arrangement réalisent un anneau parfait de huits charges de signes alternés formant un lien très fort, on parle de pontage coulombique, où le nom de M. Coulomb se réfère à la nature électrostatique de l’arrangement atomique.  Cette organisation est assez rare dans la nature et ne se trouve que dans des situations très alkalines, où les densités d’ions sodium sont fortes et les têtes chargées. Le pontage coulombique est généralement plutôt réalisé par des ions à deux (ou plus) charges, comme le calcium. On peut par exemple ponter des fibres entre elles avec des ions multivalents : l’accroche très forte permet au matériau ainsi constitué de résister à des contraintes mécaniques importantes.

Un aspect conceptuel intéressant de ce travail est le suivant : considérons les deux moitiés de la monocouche (celles qui se sont rabattues) disposées non-pas sur le même substrat mais en vis-à-vis. On a alors deux surfaces chargées négativement,  qui se repoussent donc. C’est par cette stratégie de charge que l’on maintient des suspensions de particules à l’état dispersé (et non floculé – comme les vieux pots de peinture). Approchons les : à un certain moment, elles doivent s’attirer,  cristalliser et former des plaques. Des plaques de savon.