Les scientifiques américains ont fait un pas de plus vers la découverte d’un super-pouvoir détenu par certains des plus grands « maîtres du camouflage » de la nature. Les pieuvres, les calmars, les seiches et autres animaux de la famille des céphalopodes sont bien connus pour leur capacité à se camoufler, en changeant la couleur de leur peau pour se fondre dans leur environnement. Cette remarquable capacité de mimétisme est rendue possible par des processus biologiques complexes impliquant la xanthomatrine, un pigment naturel.
En raison de ses capacités à changer de couleur, la xanthommatine intrigue depuis longtemps les scientifiques et même les militaires, mais elle s’est avérée difficile à produire et à étudier en laboratoire, jusqu’à présent.
Dans une nouvelle étude, une équipe dirigée par l’Institut océanographique Scripps de l’Université de Californie à San Diego décrit une avancée majeure dans la compréhension de la capacité de camouflage de la nature, puisqu’elle a réussi à mettre au point une nouvelle méthode pour produire de grandes quantités de pigment xanthommatine.
Leur méthode inspirée de la nature a permis pour la première fois de produire en grande quantité le matériau pigmenté dans une bactérie, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités d’utilisation du pigment dans une large gamme de matériaux et de cosmétiques, des dispositifs photoélectroniques et revêtements thermiques aux colorants et protecteurs UV. La nouvelle approche permet de produire jusqu’à 1 000 fois plus de matériau que les méthodes traditionnelles.
« Nous avons mis au point une nouvelle technique qui a accéléré notre capacité à produire un matériau, en l’occurrence la xanthommatine, dans une bactérie pour la première fois », a déclaré Bradley Moore, auteur principal de l’étude et chimiste marin nommé conjointement à la Scripps Oceanography et à l’École Skaggs de pharmacie et des sciences pharmaceutiques de l’université de Californie à San Diego. « Ce pigment naturel est ce qui donne à une pieuvre ou à un calmar sa capacité de camouflage, un super-pouvoir fantastique, et notre réussite dans l’amélioration de la production de ce matériau n’est que la partie émergée de l’iceberg. »
Les auteurs de l’étude ont déclaré que leur découverte était importante, non seulement pour comprendre ce pigment unique, qui éclaire la biologie et la chimie du règne animal, mais aussi parce que la technique qu’ils ont utilisée pourrait être appliquée à de nombreux autres produits chimiques, aidant potentiellement les industries à s’éloigner des matériaux à base de combustibles fossiles au profit d’alternatives naturelles.
Un pigment prometteur
Au-delà des céphalopodes, la xanthommatine est également présente chez les insectes du groupe des arthropodes, contribuant aux teintes orange et jaune vives des ailes du papillon monarque et aux rouges éclatants que l’on observe sur le corps des libellules et les yeux des mouches.
Malgré les fantastiques propriétés chromatiques de la xanthommatine, celle-ci est mal comprise en raison d’un problème d’approvisionnement persistant. La récolte du pigment chez les animaux n’est ni évolutive ni efficace, et les méthodes traditionnelles de laboratoire sont laborieuses et reposent sur une synthèse chimique à faible rendement.
Les chercheurs du laboratoire Moore de Scripps Oceanography ont cherché à changer cela en collaborant avec des collègues de l’université de Californie à San Diego et du Centre pour la biosoutenabilité de la Fondation Novo Nordisk au Danemark afin de concevoir une solution, une sorte de boucle de rétroaction de croissance qu’ils appellent « biosynthèse couplée à la croissance ».
La manière dont ils ont bio-conçu le pigment de poulpe, un produit chimique, dans une bactérie représente une nouvelle approche qui s’écarte des méthodes biotechnologiques classiques. Leur approche a étroitement lié la production du pigment à la survie de la bactérie qui le fabriquait.
« Nous avions besoin d’une approche totalement nouvelle pour résoudre ce problème », explique Leah Bushin, auteure principale de l’étude, aujourd’hui membre du corps enseignant de l’université de Stanford et anciennement chercheuse postdoctorale au Moore Lab de Scripps Oceanography, où elle a mené ses travaux. « En substance, nous avons trouvé un moyen de tromper la bactérie pour qu’elle produise davantage de la substance dont nous avions besoin. »
En général, lorsque les chercheurs tentent d’amener un microbe à produire un composé étranger, cela crée une charge métabolique importante. Sans manipulation génétique significative, le microbe résiste à détourner ses ressources essentielles pour produire quelque chose qui lui est inconnu.
En liant la survie de la cellule à la production du composé cible, l’équipe a réussi à inciter le microbe à créer de la xanthommatine. Pour ce faire, ils ont commencé par une cellule « malade » génétiquement modifiée, qui ne pouvait survivre que si elle produisait à la fois le pigment souhaité et un deuxième produit chimique appelé acide formique. Pour chaque molécule de pigment générée, la cellule produisait également une molécule d’acide formique. L’acide formique, à son tour, fournit le carburant nécessaire à la croissance de la cellule, créant ainsi une boucle autonome qui stimule la production de pigment.
« Nous avons fait en sorte que l’activité de cette voie, qui consiste à fabriquer le composé d’intérêt, soit absolument essentielle à la vie. Si l’organisme ne produit pas de xanthommatine, il ne se développe pas », ajoute M. Bushin.
Prochaines étapes
Moore prévoit que cette nouvelle méthodologie biotechnologique, entièrement inspirée de la nature et non invasive, transformera la manière dont les produits biochimiques sont fabriqués.
« Nous avons véritablement bouleversé la manière dont les gens envisagent la conception d’une cellule », a-t-il ajouté. « Notre approche technologique innovante a permis une avancée considérable en termes de capacité de production. Cette nouvelle méthode résout un problème d’approvisionnement et pourrait désormais rendre ce biomatériau beaucoup plus largement disponible. »
Bien que certaines applications de ce matériau soient encore lointaines, les auteurs ont noté un intérêt actif de la part du ministère américain de la Défense et des entreprises cosmétiques. Selon les chercheurs, les collaborateurs souhaitent explorer les capacités de camouflage naturel du matériau, tandis que les entreprises de soins de la peau souhaitent l’utiliser dans des écrans solaires naturels. D’autres industries voient des utilisations potentielles allant des peintures domestiques qui changent de couleur aux capteurs environnementaux.
« À l’avenir, les humains devront repenser la façon dont nous fabriquons les matériaux afin de soutenir notre mode de vie synthétique à 8 milliards d’individus sur Terre », a conclu M. Moore. « Grâce au financement fédéral, nous avons ouvert une nouvelle voie prometteuse pour la conception de matériaux inspirés de la nature qui sont meilleurs pour les humains et la planète. »
Les autres auteurs de l’étude sont Tobias Alter, María Alván-Vargas, Daniel Volke, Òscar Puiggené et Pablo Nikel du Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ; Elina Olson du département de bio-ingénierie Shu Chien-Gene Lay de l’université de Californie à San Diego ; Lara Dürr et Mariah Avila du Scripps Institution of Oceanography de l’université de Californie à San Diego ; et Taehwan Kim et Leila Deravi de la Northeastern University.
Publiée le 3 novembre dans Nature Biotechnology, l’étude a été financée par les National Institutes of Health, l’Office of Naval Research, le Fonds national suisse de la recherche scientifique et la Fondation Novo Nordisk.
Source : UC San Diego
