Une nouvelle plateforme robotique pour reproduire et étudier le comportement ciliaire complexe

Les cils sont des structures sensorielles qui s’étendent à la surface de certaines cellules. Ces structures ressemblant à des poils sont connues pour contribuer aux capacités sensorimotrices de divers organismes vivants, y compris les humains.

Pour remplir leurs fonctions physiologiques, les cils doivent battre de manière synchrone. Si de nombreuses études ont déjà été menées pour étudier la synchronisation ciliaire, ses fondements biologiques et mécaniques ne sont pas encore entièrement compris. Cela s’explique en partie par la difficulté d’étudier les cils dans des échantillons vivants et dans des conditions expérimentales contrôlées.

Des chercheurs de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences ont récemment présenté une nouvelle plateforme qui pourrait être utilisée pour reproduire la mécanique des cils et étudier leur comportement dans un environnement contrôlé. Leur système proposé pour la modélisation des cils, présenté dans un article publié dans Lettres d’examen physiquese compose de chaînes de robots automoteurs appelés HEXBUGs.

« Ce projet a vu le jour après que Yiming Xia et Zixian Hu aient construit une chaîne de robots HEXBUG pour le plaisir, qui étaient initialement utilisés pour étudier le mouvement collectif des agents autopropulsés », a déclaré Mingcheng Yang, co-auteur de l’article, à Phys.org.

« Étonnamment, ils ont découvert que deux chaînes HEXBUG ancrées à une base commune peuvent battre de manière synchrone. Nous avons immédiatement réalisé que les chaînes HEXBUG ancrées se comportent de manière similaire aux cils biologiques et pourraient être utilisées pour étudier la synchronisation entre les cils qui est exclusivement induite par le couplage mécanique (c’est-à-dire sans effets hydrodynamiques). »

Le Dr Da Wei, co-auteur de l’article, est un expert des cils biologiques et étudie depuis un certain temps la synchronisation des cils dans l’organisme modèle biologique C. reinhardtii. Dans le cadre de ses travaux récents, il a évalué le potentiel du système robotique pour reproduire expérimentalement le comportement ciliaire.

« Pour comprendre la mécanique qui sous-tend la dynamique intéressante des chaînes HEXBUG ancrées, nous avons construit un modèle théorique réduit basé sur la connexion de particules autopropulsées », a déclaré Yang. « Par la suite, Yiming Xia a effectué des simulations de dynamique brownienne dans une large gamme de paramètres du système, reproduisant avec succès les observations expérimentales. »

Les simulations effectuées par Xia ont été utilisées pour modéliser la compétition et la transition entre les différentes allures de leur système, tout en prédisant avec précision sa thermodynamique. Cela pourrait à son tour être utilisé pour explorer la règle énergétique qui pourrait régir l’évolution des comportements ciliaires, en particulier la façon dont différentes allures synchrones entrent en compétition et émergent énergétiquement.

« Après quelques tentatives, nous avons reconnu que le système simple actuel a évolué vers l’état stable avec la dissipation d’énergie maximale (c’est-à-dire le taux de production d’entropie maximal) », a déclaré Yang.

Le système modèle créé par cette équipe de chercheurs se compose d’une série de microrobots, appelés robots HEXBUG, reliés entre eux pour former des chaînes. Pour relier les robots, les chercheurs ont utilisé des bouchons qu’ils ont fabriqués en impression 3D. Les articulations de ces bouchons définissent l’angle maximal auquel les robots HEXABUG adjacents peuvent se plier. Cet angle est ce qui contrôle en fin de compte la forme d’onde du mouvement de battement ciliaire produit par le système.

Après avoir ancré les deux chaînes sur la même base (ressemblant au corps cellulaire de l’algue) et chargé la base avec des poids différents, Yang et ses collègues ont découvert qu’une friction plus forte (un poids plus important) entrave la capacité des chaînes à se synchroniser. De plus, ils ont remplacé la source d’alimentation de leur système artificiel ressemblant à des cils par une alimentation CC externe. Cela leur a permis de contrôler la force motrice effective du système, qui est associée à la tension appliquée.

« Ces systèmes expérimentaux sont bien modélisés dans les simulations », a déclaré Yang. « Les HEXBUGS sont abstraits comme des tiges automotrices, leurs interactions mécaniques sont capturées par les ressorts de connexion, et le frottement de la base et la force motrice active servent de deux paramètres de contrôle majeurs. Après avoir systématiquement caractérisé le système de simulation et l’avoir comparé avec des résultats expérimentaux, nous étions sûrs que les simulations capturaient l’essence de la configuration réelle. »

Dans le cadre de leur étude, l’équipe a déployé leur système à la fois dans des simulations et dans des conditions expérimentales. Le système simulé leur a offert de vastes possibilités d’exploration de l’espace paramétrique de leur système, ce qui a conduit à des prédictions détaillées sur les transitions de marche et la physique fondamentale.

« Les simulations ont permis de calculer l’énergétique, ce qui serait impossible à calculer avec précision par des expériences », a expliqué Yang.

Yang et ses collègues ont développé avec succès une plateforme contrôlée qui peut être utilisée pour étudier les comportements de synchronisation à médiation mécanique observés dans les cils. À l’avenir, le système qu’ils ont proposé pourrait être utilisé par d’autres chercheurs du monde entier pour faire progresser la compréhension des cils et de leur physique sous-jacente, qui est généralement difficile à sonder expérimentalement.

« Cette plateforme peut être utilisée pour réaliser et étudier de manière contrôlée le comportement complexe des cils », a déclaré Yang. « Elle pourrait être utile aux biophysiciens travaillant sur la synchronisation des cils pour tester leurs hypothèses de travail. »

Pour ce système particulier, les chercheurs ont constaté que parmi deux états possibles, celui qui est le plus dissipatif est généralement favorisé. Cela suggère qu’au moins l’évolution de certains systèmes hors équilibre peut être orientée vers la dissipation maximale d’énergie.

« Nous pensons que cela serait intéressant pour les chercheurs qui recherchent le principe général régissant les systèmes hors équilibre », a ajouté Yang.

« Nous travaillons actuellement sur un modèle analytique pour mieux expliquer le comportement des battements ciliaires mécaniquement connectés. Parallèlement, nous étudions également des scénarios plus complexes tels que la synchronisation entre plusieurs cils. Grâce à ces recherches plus poussées, nous espérons déterminer les conditions nécessaires dans lesquelles un système stable hors équilibre favorise l’état avec une dissipation plus forte. »

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