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:

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.

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:

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:

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 »:

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:

Le résultat ressemble à cela:

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.