Les chercheurs de Princeton ont appris à exploiter l’échafaudage arachnéen qui maintient la structure des cellules vivantes et l’ont utilisé pour développer une plateforme nanotechnologique. Cette technique pourrait éventuellement conduire à des progrès dans la robotique douce, à de nouveaux médicaments et au développement de systèmes synthétiques pour le transportation biomoléculaire de haute précision.
Dans un posting publié le 17 janvier dans la revue Proceedings of the Countrywide Academy of Sciences, les chercheurs ont démontré une méthode qui leur permet de contrôler avec précision la croissance de réseaux de biopolymères comme ceux qui font partie du squelette cellulaire. Ils ont pu construire ces réseaux sur une micropuce, formant un sort de circuit fonctionnant avec des signaux chimiques plutôt qu’électriques.
À l’intérieur des cellules, les protéines de tubuline forment des bâtonnets longs et incroyablement fins appelés microtubules. Les réseaux de microtubules se développent comme les racines des arbres en systèmes de ramifications qui forment un élément principal du cytosquelette qui donne leur forme aux cellules et leur permet de se diviser.
En plus d'aider à maintenir la forme d'une cellule, l'échafaudage microtubulaire fonctionne également comme un chemin de fer moléculaire. Des protéines motrices spécialisées transportent des expenses moléculaires le long des filaments des microtubules. De légers changements dans la composition moléculaire des microtubules agissent comme des panneaux indicateurs pour ajuster la trajectoire des transporteurs chimiques, envoyant les expenses utiles moléculaires vers leurs locations. À Princeton, les inquiries sur ces réseaux intracellulaires ont conduit à une collaboration entre Sabine Petry, professeure agrégée de biologie moléculaire, et Howard Stone, professeur de génie mécanique et aérospatial spécialisé en mécanique des fluides.
« Les systèmes biologiques qui nous ont inspirés étaient les axones », a déclaré Meisam Zaferani, l'un des principaux chercheurs et Gilbert S. Omenn, MD. ཹ et Martha A. Darling *70 Fellow à l'Institut de bio-ingénierie et de biologie moléculaire de Princeton. « Les axones sont de longues protubérances sortant d'un neurone qui permettent un transport moléculaire dirigé. »
Dans le système nerveux, les réseaux de microtubules fonctionnent à la fois comme des constructions reliant les cellules nerveuses et comme un moyen permettant au système nerveux de transmettre des signaux chimiques qui produisent des sensations. Zaferani a déclaré que les scientifiques travaillent toujours à comprendre les éléments de la croissance des microtubules et leurs propriétés chimiques. Mais il a ajouté que l'équipe de recherche voulait savoir si elle pouvait exploiter les réseaux pour des apps pratiques.
« Les ingénieurs et les physiciens ont commencé à étudier les microtubules en tant que composants permettant de construire de nouveaux matériaux et systems », a-t-il déclaré. « Il existe de nombreux mystères sur leurs propriétés fondamentales, mais nous en savons suffisamment pour commencer à réfléchir à la manière dont nous pourrions concevoir ces systèmes. »
Avec le co-chercheur Ryungeun Song, Zaferani a travaillé à la création d'un système permettant de contrôler la croissance des microtubules dans les laboratoires des salles blanches du Princeton Materials Institute. Grâce à des équipements spécialisés en micro/nanofabrication et en microfluidique, les chercheurs ont contrôlé avec précision la croissance des branches des microtubules. Ils ont pu ajuster l’angle et la route de la croissance et créer des microstructures dans lesquelles la course de la croissance des microtubules était régulée. Zaferani a déclaré que l'Institut des matériaux offrait une combinaison special d'équipements et d'experience qu'il serait difficile de trouver ailleurs.
Le groupe de recherche de Petry collabore depuis longtemps avec Stone, professeur Donald R. Dixon ཱྀ et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial, à l'intersection de la biologie et de la dynamique des fluides. En 2021, ils ont reçu une subvention du Eric and Wendy Schmidt Transformative Engineering Fund de Princeton. Ils ont embauché Tune, un ingénieur en mécanique qui s'était concentré sur la microfluidique dans ses études supérieures et Zaferani, un biophysicien qui avait étudié les signaux qui aident les spermatozoïdes des mammifères à se diriger vers un ovule.
Stone, qui collabore fréquemment avec des collègues en ingénierie et en sciences naturelles, a déclaré que le mélange d'expertises provenant de disciplines variées conduit souvent à des résultats remarquables.
« Je trouve très intéressant de trouver des problèmes impliquant la mécanique des fluides dans d'autres domaines », a-t-il déclaré. « Souvent, je trouve un sujet qui est mal compris par les scientifiques de l'autre côté et mal compris par moi-même, et nous travaillons ensemble pour le résoudre. »
