L’art et la science de l’architecture vivante

« Cette technologie n’est pas vivante », déclare Laia Mogas-Soldevila. « C’est comme vivre. »

La distinction est importante pour le professeur assistant de la Stuart Weitzman School of Design, pour des raisons à la fois scientifiques et artistiques. Avec un doctorat en génie biomédical, plusieurs diplômes en architecture et une dévotion pour le design durable, Mogas-Soldevila apporte la biologie au quotidien, créant des matériaux pour un avenir construit à mi-chemin entre nature et artifice.

La technologie architecturale qu’elle décrit est sans prétention à première vue : une pastille lyophilisée, assez petite pour se perdre dans votre poche. Mais ce minuscule bloc de matière, fruit de plus d’un an de collaboration entre designers, ingénieurs et biologistes, est un biomatériau qui contient un système « vivant ».

Au contact de l’eau, la pastille s’active et exprime une protéine lumineuse, sa fluorescence démontrant que la vie et l’art peuvent s’harmoniser en une troisième chose très différente, aussi prête à plaire qu’à protéger. Tissés dans des treillis faits de matériaux naturels flexibles favorisant la circulation de l’air et de l’humidité, les granulés forment des éléments de design d’intérieur saisissants qui pourraient un jour nous garder en bonne santé.

« Nous les envisageons comme des capteurs », explique Mogas-Soldevila. « Ils peuvent détecter des agents pathogènes, tels que des bactéries ou des virus, ou alerter les gens sur les toxines à l’intérieur de leur maison. Les granulés sont conçus pour interagir avec l’air. Avec le développement, ils pourraient le surveiller ou même le nettoyer. »

Pour l’instant, ils brillent, une première étape triomphale sur la feuille de route de l’équipe vers l’avenir. La fluorescence établit que le processus de fabrication des biomatériaux du laboratoire est compatible avec l’ingénierie de pointe sans cellules qui confère aux pastilles leurs propriétés réalistes.

Une technologie en pleine expansion, les systèmes d’expression de protéines sans cellules permettent aux chercheurs de fabriquer des protéines sans utiliser de cellules vivantes.

Gabrielle Ho, Ph.D. candidat au Département de bio-ingénierie et co-responsable du projet, explique comment le travail de conception de l’équipe en est venu à être acellulaire, une technique rarement explorée en dehors des études en laboratoire ou des applications médicales.

« En règle générale, nous utilisons des cellules vivantes d’E. coli pour fabriquer une protéine », explique Ho. « E. coli est un bourreau de travail biologique, accessible et très productif. Nous introduisions de l’ADN dans la cellule pour encourager l’expression de protéines spécifiques. Mais cette méthode traditionnelle n’était pas une option pour ce projet. Vous ne pouvez pas avoir conçu E. coli accroché à vos murs. »

Les systèmes acellulaires contiennent tous les composants dont une cellule vivante a besoin pour fabriquer des protéines – énergie, enzymes et acides aminés – et pas grand-chose d’autre. Ces systèmes ne sont donc pas vivants. Ils ne se répliquent pas et ne peuvent pas non plus provoquer d’infection. Ils sont « vivants », conçus pour absorber l’ADN et expulser les protéines d’une manière qui n’était auparavant possible qu’avec des cellules vivantes.

« L’une des plus belles choses à propos de ces matériaux qui ne sont pas vivants », explique Mogas-Soldevila, « est que nous n’avons pas à nous soucier de les garder ainsi. »

Contrairement aux cellules vivantes, les matériaux acellulaires n’ont pas besoin d’un environnement humide ou d’une surveillance constante dans un laboratoire. Les recherches de l’équipe ont permis d’établir un procédé de fabrication de ces granulés secs qui préserve la bioactivité tout au long de la fabrication, du stockage et de l’utilisation.

Bioactive, expressive et programmable, cette technologie est conçue pour capitaliser sur les propriétés uniques des matériaux organiques.

Mogas-Soldevila, dont le laboratoire se concentre exclusivement sur l’architecture biodégradable, comprend la valeur des biomatériaux à la fois respectueux de l’environnement et esthétiquement riches.

« Les architectes se rendent compte que les matériaux conventionnels – béton, acier, verre, céramique, etc. – sont nocifs pour l’environnement et ils s’intéressent de plus en plus à des alternatives pour en remplacer au moins certains. pouvoir remplacer un petit pourcentage entraînerait une réduction significative des déchets et de la pollution. »

Les matériaux emblématiques de son laboratoire – des biopolymères fabriqués à partir de carapaces de crevettes, de pâte de bois, de sable et de terre, de cocons de soie et de gommes d’algues – confèrent des qualités au-delà de leurs avantages durables.

« Mon obsession est le diagnostic, mais ma passion est l’espièglerie », déclare Mogas-Soldevila. « Les biomatériaux sont les seuls matériaux capables d’encapsuler cette double fonction observée dans la nature. »

La recherche sur la fabrication et la conception sans cellules nécessitait des dialogues uniques entre la science et l’art, des catégories que Ho croyait entièrement distinctes avant de se lancer dans ce projet.

« J’ai tellement appris de l’approche que les concepteurs ont apportée au laboratoire », déclare Ho. « Habituellement, en science, nous avons un problème ou une hypothèse spécifique sur lequel nous travaillons systématiquement. »

Mais dans cette collaboration, les choses étaient différentes. Ouvert. L’équipe a cherché une plate-forme vivante qui détecte et informe les gens sur la matière interactive. Ils devaient explorer, étape par étape, comment y arriver.

« La conception n’est limitée que par l’imagination. Nous avons cherché une technologie qui pourrait aider à concrétiser une vision, et qui s’est avérée sans cellule », déclare Ho.

« Pour ma part », déclare Mogas-Soldevila, « c’était inspirant de constater la rigueur et l’attention aux contraintes qu’apporte la bio-ingénierie. »

Les contraintes étaient nombreuses : contraintes liées aux machines, contraintes biologiques, contraintes financières et contraintes d’espace.

« Mais alors que nous maintenions ces restrictions en jeu », poursuit-elle, « nous avons posé nos questions créatives les plus pressantes. Les matériaux peuvent-ils nous avertir des menaces invisibles ? Comment les humains réagiront-ils à ces sites bioactifs ? Seront-ils beaux ? Seront-ils bizarres ? Surtout, permettront-elles une nouvelle relation esthétique avec le potentiel de la matière biosourcée et bioactive ? »

En fin de compte, les granulés sans cellules et les réseaux de biopolymères pourraient recouvrir de manière protectrice nos vies intérieures, en prenant soin de notre santé mentale et physique. Pour l’instant, la recherche se poursuit, la poésie du design dynamisée par la contrainte, la contrainte de l’ingénierie dynamisée par la poésie.

Les résultats sont publiés dans la revue Frontières en bioingénierie et biotechnologie.