Juste en se déplaçant, les micro-organismes comme les bactéries et les spermatozoïdes accomplissent un exploit remarquable. Les effets de la viscosité sont amplifiés à petite échelle, ce qui signifie qu’un micro-organisme nageant dans l’eau est un peu comme une personne essayant de faire le dos crawlé dans une fosse à goudron. Les scientifiques n’ont toujours pas une image complète de la façon dont ils le font.
Une équipe d’étudiants et de professeurs de l’Université Brown a développé un nouvel outil pour aider les chercheurs à mieux comprendre les mouvements des micro-organismes. C’est un nageur robotique qui imite l’action d’un flagelle, l’appendice en forme de tire-bouchon que de nombreux micro-organismes utilisent pour se déplacer. En introduisant cette action de nage dans le monde macroscopique, l’appareil facilite l’étude de la dynamique des fluides du mouvement flagellaire. Et parce qu’il est autopropulsé, reconfigurable et contrôlé à distance, les chercheurs peuvent mettre en place des expériences qui seraient impossibles avec de vrais micro-organismes.
Les chercheurs ont décrit leur appareil dans une étude publiée dans la revue Examen des instruments scientifiques. L’équipe espère que les informations produites par l’appareil pourraient être utiles dans tous les domaines, du traitement de la fertilité à la compréhension de la propagation des infections dans le corps.
« Les micro-organismes utilisent une forme de locomotion incroyablement complexe », a déclaré Roberto Zenit, professeur à la Brown’s School of Engineering et auteur principal de la recherche. « Nous avons des modèles mathématiques qui font des approximations de la façon dont cela fonctionne, mais pour améliorer ces approximations, nous devons faire des mesures détaillées des champs de vitesse autour de ces organismes. En fabriquant un appareil qui peut imiter cette nage aussi étroitement que possible, nous espérons faire certaines de ces mesures. »
Zenit travaillait depuis plusieurs années sur des modèles de comportement de nage des micro-organismes. Auparavant, il avait développé un appareil de la taille d’une pilule contenant un aimant, qui pouvait être amené à « nager » à l’aide d’un champ magnétique oscillant. L’appareil était une approximation raisonnable de la nage bactérienne, mais Zenit voulait l’améliorer.
« Les vraies bactéries n’ont pas besoin d’un champ magnétique car elles ont un pouvoir interne », a déclaré Zenit. « Nous voulions voir si nous pouvions proposer quelque chose d’autopropulsé. »
Zenit s’est donc tourné vers Daniel Harris, professeur adjoint d’ingénierie à Brown dont le laboratoire est spécialisé dans la construction de dispositifs personnalisés pour la recherche sur la dynamique des fluides. Harris enseigne une classe de fluides avancés dans laquelle des groupes d’étudiants s’attaquent à des projets pratiques dans le cadre d’une initiative plus large à Brown pour intégrer les opportunités de recherche dans le programme de premier cycle. Zenit et Harris ont pensé que le développement d’un prototype de robot pourrait être un bon projet pour un groupe d’étudiants de Harris.
Sous la direction de Harris, une équipe d’étudiants de premier cycle a travaillé pendant un semestre pour proposer un prototype. Un membre du groupe, Matthew Styslinger, a continué à travailler sur le projet en tant que projet principal avant d’obtenir son diplôme en 2021. À partir de là, un doctorat. l’étudiant Asimanshu Das a repris le projet, ajoutant des fonctionnalités et complétant la conception.
Le dispositif est basé sur la géométrie d’une bactérie E. coli. Il a une tête cylindrique, réalisée sur une imprimante 3D, d’environ 6 centimètres de long et 2 centimètres de diamètre. La tête étanche abrite un petit moteur, une alimentation et d’autres composants électroniques. Le moteur entraîne une queue hélicoïdale, également réalisée sur une imprimante 3D, qui mesure environ 9 centimètres de long. Les queues peuvent être échangées pour expérimenter différents angles d’hélice et géométries. Une télécommande ajuste la vitesse du moteur et le sens de rotation.
L’équipe a réalisé une série d’expériences de référence avec l’appareil nageant dans un mélange de sirop de maïs et d’eau, ce qui se rapproche de la viscosité d’un nageur à l’échelle microscopique traversant de l’eau seule. Les résultats ont montré que les performances de nage de l’appareil sont conformes aux prédictions d’un modèle de force résistive simple, la même théorie fréquemment appliquée pour rationaliser le mouvement de la contrepartie microscopique de l’appareil.
Après avoir validé le dispositif, l’équipe prévoit maintenant une variété d’expériences pour apporter un nouvel éclairage sur la nage hélicoïdale.
« Ce que cela nous donne, c’est la possibilité de faire des expériences macroscopiques sur lesquelles nous avons un contrôle total », a déclaré Harris. « Imaginez essayer de dire à une bactérie de nager dans une direction particulière ou de changer son angle d’hélice. C’est assez difficile à faire. Mais c’est quelque chose que nous pouvons faire avec ça. »
À l’avenir, l’équipe prévoit de faire des mesures détaillées des champs d’écoulement autour de leurs nageurs. Ils espèrent faire la lumière sur certaines questions clés qui restent sans réponse, comme ce qui arrive aux flux lorsqu’un micro-organisme rencontre une paroi dure, ou comment le flux change lorsque plusieurs organismes nagent ensemble.
« C’est un excellent exemple du type de collaboration que nous faisons ici à l’École d’ingénierie », a déclaré Zenit. « Ce projet a commencé avec des étudiants de premier cycle travaillant sur un projet de classe, mais il a fini par être quelque chose que nous pouvons utiliser pour résoudre un problème de recherche réel. »
Asimanshu Das et al, Robot à queue hélicoïdale sans force ni couple pour étudier la natation de micro-organismes à faible nombre de Reynolds, Examen des instruments scientifiques (2022). DOI : 10.1063/5.0079815