Le radeau d’étoiles de mer régulièrement espacées pourrait être le premier cristal fabriqué à partir d’organismes multicellulaires.

Dans ses premiers stades, bien avant qu’il ne pousse ses appendices caractéristiques, un embryon d’étoile de mer ressemble à une petite perle, tournant dans l’eau comme un roulement à billes miniature.

Maintenant, les scientifiques du MIT ont observé que lorsque plusieurs embryons d’étoiles de mer remontent à la surface de l’eau, ils gravitent les uns vers les autres et s’assemblent spontanément en une structure cristalline étonnamment organisée.

Encore plus curieux, ce «cristal vivant» collectif peut présenter une étrange élasticité, une propriété exotique par laquelle la rotation d’unités individuelles – dans ce cas, des embryons – déclenche des ondulations beaucoup plus importantes sur toute la structure.

Les chercheurs ont découvert que cette configuration cristalline ondulante peut persister sur des périodes de temps relativement longues avant de se dissoudre à mesure que les embryons individuels mûrissent.

“C’est absolument remarquable – ces embryons ressemblent à de belles perles de verre, et ils remontent à la surface pour former cette structure cristalline parfaite”, déclare Nikta Fakhri, professeure associée de développement de carrière Thomas D. et Virginia W. Cabot au MIT. “Comme une volée d’oiseaux qui peuvent éviter les prédateurs, ou voler plus facilement parce qu’ils peuvent s’organiser dans ces grandes structures, peut-être que cette structure cristalline pourrait avoir des avantages dont nous ne sommes pas encore conscients.”

Au-delà de l’étoile de mer, dit-elle, cet assemblage de cristaux auto-assemblés et ondulants pourrait être appliqué comme principe de conception, par exemple dans la construction de robots qui se déplacent et fonctionnent collectivement.

“Imaginez construire un essaim de robots mous et rotatifs qui peuvent interagir les uns avec les autres comme ces embryons”, explique Fakhri. «Ils pourraient être conçus pour s’auto-organiser pour onduler et ramper dans la mer pour faire un travail utile. Ces interactions ouvrent une nouvelle gamme de physique intéressante à explorer ».

Fakhri et ses collègues ont publié leurs résultats dans une étude parue dans La nature. Les co-auteurs incluent Tzer Han Tan, Alexander Mietke, Junang Li, Yuchao Chen, Hugh Higinbotham, Peter Foster, Shreyas Gokhale et Jörn Dunkel.

Tourner ensemble

Fakhri dit que les observations de l’équipe sur les cristaux d’étoiles de mer étaient une “découverte fortuite”. Son groupe a étudié le développement des embryons d’étoiles de mer, et plus particulièrement la division des cellules embryonnaires aux tout premiers stades.

“Les étoiles de mer sont l’un des systèmes modèles les plus anciens pour étudier la biologie du développement car elles ont de grandes cellules et sont optiquement transparentes”, explique Fakhri.

Les chercheurs observaient comment les embryons nagent à mesure qu’ils mûrissent. Une fois fécondés, les embryons grandissent et se divisent, formant une coquille qui produit ensuite de minuscules poils, ou cils, qui propulsent un embryon dans l’eau.

À un certain point, les cils se coordonnent pour faire tourner un embryon dans une direction de rotation particulière, ou « chiralité ». Tzer Han Tan, l’un des membres du groupe, a remarqué que lorsque les embryons remontaient à la surface, ils continuaient à tourner l’un vers l’autre.

“De temps en temps, un petit groupe se réunissait et dansait en quelque sorte”, explique Fakhri. “Et il s’avère qu’il existe d’autres organismes marins qui font la même chose, comme certaines algues. Donc, nous avons pensé, c’est intrigant. Que se passe-t-il si vous en mettez beaucoup ensemble ? »

Dans leur nouvelle étude, elle et ses collègues ont fécondé des milliers d’embryons d’étoiles de mer, puis les ont regardés nager à la surface de plats peu profonds.

“Il y a des milliers d’embryons dans un plat, et ils commencent à former cette structure cristalline qui peut devenir très grande”, explique Fakhri. “Nous l’appelons un cristal parce que chaque embryon est entouré de six embryons voisins dans un hexagone qui se répète sur toute la structure, très similaire à la structure cristalline du graphène.”

Les scientifiques du MIT ont découvert que les embryons d’étoiles de mer nagent spontanément ensemble à la surface pour former de grandes structures cristallines qui ondulent et tournent collectivement pendant des périodes relativement longues avant de se dissoudre à mesure que les embryons mûrissent.

Cristaux tremblants

Pour comprendre ce qui pourrait inciter les embryons à s’assembler comme des cristaux, l’équipe a d’abord étudié le champ d’écoulement d’un seul embryon, ou la manière dont l’eau circule autour de l’embryon.

Pour ce faire, ils ont placé un seul embryon d’étoile de mer dans l’eau, puis ont ajouté des perles beaucoup plus petites au mélange et ont pris des images des perles alors qu’elles circulaient autour de l’embryon à la surface de l’eau.

Sur la base de la direction et du flux des billes, les chercheurs ont pu cartographier le champ de flux autour de l’embryon.

Ils ont découvert que les cils à la surface de l’embryon battaient de telle manière qu’ils faisaient tourner l’embryon dans une direction particulière et créaient des tourbillons de chaque côté de l’embryon qui attiraient ensuite les perles plus petites.

Mietke, postdoctorant dans le groupe de mathématiques appliquées de Dunkel au MIT, a travaillé sur ce champ de flux d’un seul embryon à une simulation de nombreux embryons, et a exécuté la simulation pour voir comment ils se comporteraient.

Le modèle a produit les mêmes structures cristallines que l’équipe a observées dans ses expériences, confirmant que le comportement de cristallisation des embryons était très probablement le résultat de leurs interactions hydrodynamiques et de leur chiralité.

Dans leurs expériences, l’équipe a également observé qu’une fois qu’une structure cristalline s’était formée, elle persistait pendant des jours, et pendant ce temps, des ondulations spontanées commençaient à se propager à travers le cristal.

“Nous pouvions voir ce cristal tourner et trembler pendant très longtemps, ce qui était absolument inattendu”, dit-elle. “On s’attendrait à ce que ces ondulations disparaissent rapidement, car l’eau est visqueuse et amortirait ces oscillations. Cela nous a dit que le système a une sorte de comportement élastique étrange ».

Les ondulations spontanées et durables peuvent être le résultat d’interactions entre les embryons individuels, qui tournent les uns contre les autres comme des engrenages imbriqués.

Avec des milliers d’engrenages tournant en formation de cristaux, les nombreux spins individuels pourraient déclencher un mouvement collectif plus important à travers toute la structure.

Les chercheurs étudient actuellement si d’autres organismes tels que les oursins présentent un comportement cristallin similaire. Ils étudient également comment cette structure auto-assemblée pourrait être reproduite dans des systèmes robotiques.

“Vous pouvez jouer avec ce principe de conception des interactions et construire quelque chose comme un essaim robotique qui peut réellement travailler sur l’environnement”, dit-elle.

Cette recherche a été soutenue, en partie, par la Sloan Foundation et la National Science Foundation.

(Sources : MIT, Nature)