Les scientifiques découvrent comment le crabe en fer à cheval voit à travers ses lentilles cuticulaires

Les yeux composés primitifs d’un crabe en fer à cheval sont l’un des plus grands que l’on trouve dans la nature. Contrairement à de nombreux insectes et araignées qui construisent leurs yeux à partir de protéines vitreuses, le crabe en fer à cheval utilise la cuticule, le même matériau qui construit sa peau et ses pattes.

Une équipe internationale dirigée par le professeur Yael Politi du B CUBE – Center for Molecular Bioengineering de la TU Dresden a maintenant montré qu’une multitude de changements différents dans l’architecture globale ainsi que dans la composition locale du matériau permettent à l’animal d’utiliser la cuticule pour construire des éléments optiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Sciences avancées.

Les yeux composés sont courants chez les insectes et les crustacés. Ils consistent en un réseau de lentilles qui collectent la lumière de différentes directions et la concentrent précisément en un seul endroit, là où se trouvent les cellules réceptrices. « L’œil composé est la réponse de la nature au besoin de capturer un large champ de vision dans un œil autrement petit. C’est un défi similaire à celui auquel sont confrontés les concepteurs d’appareils photo modernes qui souhaitent miniaturiser de plus en plus les caméras tout en gardant un large champ de vision. de plus de 90 degrés », explique le professeur Yael Politi, chef de groupe de recherche au B CUBE–Center for Molecular Bioengineering à TU Dresden.

Les yeux composés du crabe en fer à cheval sont primitifs par rapport à d’autres arthropodes, comme les libellules ou les crevettes. Au lieu d’utiliser les protéines vitreuses typiques pour construire la lentille, le crabe en fer à cheval réutilise le matériau qui construit son exosquelette, la cuticule. « La cuticule des arthropodes est un matériau composite composé de protéines et d’un polymère cristallin appelé chitine. C’est le composant caractéristique des insectes, des araignées et d’autres arthropodes qui l’utilisent pour construire leur peau et leurs jambes, le soi-disant exosquelette », explique Professeur Politi.

La cuticule est connue pour sa polyvalence et ses caractéristiques mécaniques exceptionnelles. Il n’y a pas une cuticule cependant. Différents arthropodes adaptent le composite à leurs besoins. Au cours de l’évolution, la structure du matériau s’est adaptée à sa fonction et est devenue plus rigide ou plus souple, selon les besoins de chaque animal. « Néanmoins, l’utilisation de la cuticule pour fabriquer des lentilles est inhabituelle et la mesure dans laquelle le limule la réutilise pour ses yeux est tout simplement remarquable », déclare le professeur Politi.

« Nous voulions comprendre exactement comment l’animal modifiait la structure et la composition de la cuticule, un matériau surtout connu pour ses caractéristiques mécaniques exceptionnelles, pour construire un ensemble de lentilles aux propriétés optiques variables », ajoute le professeur Politi.

Adaptation de la cuticule dans un élément optique

L’équipe a travaillé avec des chercheurs de Potsdam et de Brno et a utilisé des installations européennes à grande échelle de rayonnement synchrotron pour analyser les lentilles du limule. Les chercheurs ont examiné à la fois l’organisation globale des couches de la cuticule, ainsi que le rapport des composants individuels, la teneur en eau et la composition élémentaire du matériau. En conséquence, ils ont trouvé une variété d’adaptations qui, ensemble, permettent à la cuticule de devenir un excellent élément optique.

« Travailler à l’European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble et à la source de lumière BESSY II à Berlin nous a permis d’utiliser les synchrotrons et leurs très petits faisceaux lumineux focalisés pour effectuer la diffraction et la fluorescence des rayons X. Grâce à ces techniques, nous avons pu cartographier les molécules structure des composants de la cuticule à différentes échelles de longueur et pour découvrir quels éléments chimiques sont utilisés pour construire cette version particulière de la cuticule », explique Oliver Spaeker, Ph.D. étudiant à l’Institut Max Planck des colloïdes et des interfaces de Potsdam et auteur principal de l’étude.

Les chercheurs ont également développé une nouvelle méthode pour mesurer les propriétés optiques du matériau à haute résolution. Pour cela, ils ont collaboré avec la société tchèque Telight et utilisé l’imagerie de phase quantitative. La nouvelle méthode a permis de corréler la structure locale du matériau avec les propriétés optiques dans cette partie particulière de la lentille.

Pris ensemble, l’équipe a trouvé non pas une mais une multitude d’adaptations à tous les niveaux qui permettent au crabe en fer à cheval d’utiliser la cuticule pour les éléments optiques. « Tout, de la composition locale de la cuticule, en particulier l’ajout de brome, aux multiples changements dans l’architecture du composite, c’est-à-dire le rapport entre ses composants, l’organisation des protéines, la variation de la teneur en eau et la forme globale de le cristallin… Tout cela contribue à faire de la cuticule un matériau doté d’excellentes propriétés optiques », explique le professeur Politi.

« Ce qui nous a le plus surpris, en fin de compte, c’est que les lentilles de la cuticule semblent si bien fonctionner que l’animal a dû introduire des pigments pour réellement réduire la quantité de lumière collectée par la lentille », ajoute le professeur Politi.

Le groupe de recherche vise à extraire les principes de conception des biomatériaux. « Mon groupe de recherche vise à apprendre de la nature – le concepteur itératif le plus ancien et le plus expérimenté au monde, travaillant sous les contraintes de l’évolution », déclare le professeur Politi. À long terme, ces connaissances peuvent être utilisées pour produire de meilleurs matériaux, moins complexes et plus faciles à recycler, tout en étant au moins aussi performants que nécessaire.