Le ver marin Perinereis cultrifera possède des mâchoires qui brouillent la frontière entre le vivant et le métal. Composés de protéines et d'ions métalliques, les organes mordants de ce ver marin ancestral durcissent à leur extrémité et se comportent de manière similaire à ceux du cuivre ou de l'argent.
Des chercheurs de l'Université technique de Vienne et de l'Université de Vienne ont étudié ces propriétés mécaniques inhabituelles dans la revue Biophysics Reviews. Leurs travaux confortent l'existence de la catégorie proposée de « biométaux », qui désigne des matériaux naturels combinant des structures de type polymère avec la dureté et les propriétés de déformation caractéristiques des métaux.
Ce terme est plus précis que des désignations telles que « biomatériaux de type métallique ». Les chercheurs affirment que les biométaux devraient être évalués selon trois critères : la dureté, le comportement à la déformation et la structure iono-protéique.
Perinereis cultrifera, un ver polychète prédateur qui existe encore aujourd'hui, constitue un exemple intéressant pour l'étude de ses proies. Ses mâchoires contiennent des protéines structurales liées à des ions métalliques. Le ver utilise ces protéines pour mordre, broyer et consommer ses proies.
Les pointes plus dures sont dues à une mâchoire inégale.
L'équipe de recherche a examiné la mâchoire dans son intégralité, et non seulement sa partie médiane. Ils ont testé 11 sites dans les portions centrale et apicale de la mâchoire.
Grâce à une technique appelée nanoindentation, les chercheurs ont enfoncé une minuscule sonde dans le matériau à six profondeurs différentes. Cette méthode crée des indentations microscopiques et permet de mesurer la résistance de l'échantillon à ces indentations.
L'analyse chimique et l'imagerie ont révélé que les concentrations d'ions métalliques étaient plus élevées à proximité des extrémités des mâchoires qu'au centre. Ce résultat confirme des observations antérieures et explique probablement la dureté accrue des extrémités des mâchoires.
La dureté de la mâchoire n'était pas uniforme sur toute la surface. Les indentations moins profondes offraient une plus grande résistance que les plus profondes, ce qui signifiait que des zones plus petites de la mâchoire paraissaient plus dures.
Ce comportement est cohérent avec l'effet de taille de Nix-Gao en nanoindentation, une relation généralement observée dans les métaux cristallins. Selon cette relation, le carré de la dureté augmente lorsque la profondeur d'indentation diminue.
Le cuivre et l'argent peuvent présenter un phénomène similaire. Dans ces matériaux, cet effet est généralement associé aux dislocations, qui sont des irrégularités linéaires au sein du réseau atomique.
La mâchoire du ver ne possède pas de réseau cristallin métallique classique. Sa structure est plutôt composée de protéines à coordination ionique. Cependant, sa dureté suit la même loi de dépendance à la taille, aussi bien dans sa partie centrale que dans sa partie terminale.
Effet de type métallique au sein de la matrice protéique
Les résultats obtenus confirment des observations antérieures selon lesquelles la plasticité induite par gradient de déformation est également présente dans ce matériau biologique. La déformation décrit la façon dont un matériau change de forme sous l'action d'une force. Un gradient de déformation décrit la variation spatiale de cette déformation.
Pour des profondeurs d'indentation très faibles, la déformation varie brusquement sur une courte distance. Cela peut accroître la résistance à la déformation et donner l'impression d'une plus grande dureté dans la zone examinée.
Cette découverte est remarquable, car l'effet Nix-Gao est généralement considéré comme une caractéristique importante des métaux cristallins. Sa mise en évidence dans une mâchoire à base de protéines démontre qu'un comportement mécanique similaire peut se manifester dans une structure microscopique totalement différente.
Les chercheurs ne se sont pas contentés de mesurer la dureté. Leurs mesures ont également révélé une variation d'élasticité en fonction de la taille.
« Les mâchoires des vers à soies présentaient également une élasticité dépendante de la taille, une caractéristique distinctive des biométaux par rapport aux métaux cristallins standards tels que le cuivre ou l'argent », a déclaré l'auteur Christian Hellmich.
L'élasticité décrit la façon dont un matériau se déforme puis reprend sa forme initiale. Chez le ver polychète, cette réaction variait selon la taille de la zone examinée.
Le cuivre et l'argent peuvent présenter un effet de dureté dépendant de la taille, mais ils ne possèdent pas la même structure élastique que celle décrite pour la mâchoire. Cette différence permet de distinguer les biométaux des métaux cristallins conventionnels.
Modélisation des forces à plus petite échelle
Pour expliquer l'effet élastique, l'équipe a utilisé une modélisation mathématique basée sur la « micromécanique multifacette ». Ce concept relie de minuscules forces structurelles à la réponse mécanique globale d'un matériau.
Les chercheurs ont examiné des forces microscopiques concentrées, connues sous le nom de forces de Peach-Köhler. Ces forces sont associées aux replis de dislocation au sein de la matrice protéique coordonnée par les ions.
D'après le modèle, ces plis peuvent créer des gradients de contrainte suffisamment importants pour affecter le matériau à l'échelle des expériences. Ce résultat offre une explication théorique de la variation d'élasticité en fonction de la profondeur d'indentation.
Ce travail réunit les trois composantes de la définition proposée de biométal. La mâchoire combine une dureté extraordinaire, une mécanique de déformation dépendant de la taille et une structure constituée de protéines coordonnées par des ions.
Cette classification ne prétend pas que la mâchoire soit faite de métal ordinaire. Elle reconnaît plutôt une combinaison de propriétés qui ne correspond pas aux descriptions antérieures.
Cette distinction est importante car des expressions comme « biomatériau de type métal » peuvent décrire de manière générale des substances naturelles possédant une résistance ou une conductivité comparable à celle des métaux. Le concept de biométal ajoute des exigences structurelles et mécaniques.
Les vestiges anciens soulèvent de nouvelles questions.
Les données obtenues sont basées sur une seule mâchoire d'une seule espèce. L'équipe prévoit d'étudier d'autres vers polychètes et d'enrichir la base de données expérimentales.
Un échantillon plus important nous permettrait de démontrer si des profils similaires de dureté et d'élasticité sont observés chez différentes espèces. Cela contribuerait également à affiner le fondement théorique de la classification proposée.
« Nous prévoyons d'élargir la base de données expérimentales en étudiant d'autres espèces afin d'affiner le concept théorique et d'effectuer des calculs spécifiques, et, plus intéressant encore peut-être, d'explorer la relation entre les interventions génétiques et l'espace de conception des matériaux correspondant », a déclaré Hellmich.
« Tout cela suscite un véritable émerveillement devant la beauté, la grâce et le raffinement que l’on trouve dans la nature et qu’elle crée. ».
Les études génétiques prévues soulèvent une autre question : des modifications génétiques peuvent-elles altérer la composition et les propriétés mécaniques de la mâchoire ?.
Cette étude apporte désormais une base expérimentale plus solide pour considérer ces mâchoires comme un matériau distinct. La combinaison de propriétés polymères et métalliques les rend atypiques du point de vue de la biologie et des sciences des matériaux.
Implications pratiques de l'étude
Une définition plus précise des biométaux pourrait aider les biophysiciens à comparer les matériaux naturels qui utilisent des ions pour renforcer les structures protéiques. Elle pourrait également faciliter l'étude de l'origine de la dureté et de l'élasticité en l'absence de réseau métallique traditionnel.
L’étude d’un plus grand nombre d’espèces pourrait révéler quelles caractéristiques sont répandues et lesquelles sont spécifiques à certaines espèces de vers. De telles comparaisons permettraient d’affiner les modèles de déformation, de contrainte et d’organisation iono-protéique.
Ces recherches jettent également les bases de l'étude de l'influence des modifications génétiques sur les propriétés des matériaux. De tels travaux pourraient éclairer la manière dont les organismes vivants contrôlent la structure des tissus durs à l'échelle microscopique, tout en ouvrant de nouveaux champs d'étude en biophysique et en bio-ingénierie.
Les résultats de la recherche sont disponibles en ligne dans la revue Biophysics Reviews.
L'article original, intitulé « Biométaux : d'anciens vers marins détiennent le secret d'une nouvelle classe de matériaux inhabituels », a été publié par The Brighter Side of News.
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