Nouvelles idées sur les nématiques actives et le comportement des cellules

Les cellules sont les parties de base des êtres vivants, et elles viennent sous différentes formes et tailles. Chaque forme a des jobs et des comportements spécifiques. Comprendre les règles derrière ces formes, c'est pas simple. Dans cette étude, on crée de nouveaux blocs de construction qui imitent les structures biologiques. On fait ça en entourant des gouttes ellipsoïdales remplies d'un cristal liquide spécial dans un gel à base de protéines qui agit comme la structure interne d'une cellule. Ça nous donne des structures avec un noyau et une coquille.

En utilisant la texture et la forme uniques du cristal liquide, on peut contrôler comment le matériau actif se comporte. On a trouvé de nouveaux états où les défauts dans ce matériau changent leurs mouvements avec le temps, passant de la rotation à des mouvements en ligne droite. Nos simulations montrent que le mouvement de ce matériau est fortement influencé par la forme de la goutte et les forces extérieures, ce qui nous aide à mieux comprendre les processus biologiques et pourrait mener à de nouveaux designs pour des mini-machines inspirées par la nature.

#Background

Les nematiques actifs sont des matériaux composés d'unités allongées et auto-mouvantes. Ces matériaux nous aident à apprendre sur différentes actions biologiques, y compris comment les fibres changent pendant le développement et comment des groupes de bactéries se déplacent ensemble. En utilisant le cadre développé pour les cristaux liquides, on peut l'appliquer aux systèmes biologiques.

Les défauts nematiques sont des points où l'ordre habituel est perturbé. Ces défauts sont importants pour le fonctionnement individuel et collectif des cellules. Cependant, on ne sait toujours pas exactement comment ces défauts interagissent avec leur environnement pour créer des résultats spécifiques. Dans les configurations de laboratoire, les nematiques actifs offrent un bon modèle pour étudier ces interactions. Des forces comme la friction, la texture de surface et la contrainte peuvent être utilisées pour contrôler les mouvements des défauts et les patterns de flux dans le matériau, offrant de nouvelles perspectives pour concevoir des machines inspirées des systèmes biologiques. Cependant, l'étude des effets des surfaces courbées sur les défauts n'a pas beaucoup été faite à cause des difficultés à créer des expériences contrôlées.

Dans des études précédentes, des chercheurs ont examiné comment une surface courbée constante influençait un type de nematique actif composé de Microtubules et de moteurs de kinesin. Ces moteurs aident à déplacer des faisceaux de fibres, créant un champ bidimensionnel. Quand ces matériaux étaient placés sur une surface sphérique, les défauts se comportaient de manière chaotique. Cependant, en limitant le nematique actif à une surface sphérique, les chercheurs ont pu créer un état dynamique plus ordonné avec des défauts se déplaçant de manière prévisible. Des études prédisent que sous une forte activité, de nouveaux patterns de flux, comme des tourbillons et des bandes tournantes, peuvent apparaître.

Quand un gradient de courbure est introduit, cela peut mener à des mouvements encore plus complexes. Sur des surfaces avec une courbure inégale, les défauts ont tendance à se diriger vers des zones avec une courbure similaire ou peuvent même se séparer dans certaines conditions. Ces comportements peuvent grandement changer comment le système actif se déplace. Par exemple, avec une goutte allongée, la courbure peut faire en sorte que les défauts se rassemblent aux pôles et créent des mouvements tournants. Des expériences antérieures sur des gouttes toroïdales ont montré ces effets, mais la taille des gouttes était supérieure à la distance typique entre les défauts. En conséquence, le grand nombre de défauts a créé des mouvements chaotiques, et des patterns ordonnés n'ont pas été observés.

Dans cette étude, on utilise les propriétés des cristaux liquides pour créer des gouttes ellipsoïdales qui sont de la bonne taille pour étudier les nematiques actifs. En plaçant ces gouttes dans un bain actif de microtubules et de moteurs de kinesin, on peut stabiliser une couche active à la surface de la goutte. Dans ce cadre, on observe deux nouveaux états dynamiques qui ont des mouvements distincts contrôlés par l'oscillation de paires de défauts topologiques.

#Building Active Nematics

#Creating Smectic Ellipsoidal Droplets

Nos nematiques actifs sont composés de gouttes allongées d'un cristal liquide appelé octyl-cyanobiphényl (8CB) recouvertes de faisceaux de microtubules déplacés par des moteurs de kinesin. Pour créer ces gouttes, on utilise un processus spécial qui provoque la rupture des émulsions doubles d'eau et de 8CB lorsqu'elles sont chauffées, formant des formes ellipsoïdales.

Les gouttes doivent être formées quand le 8CB est dans une phase spécifique. Quand la température est abaissée, une transition se produit, et les émulsions doubles se décomposent en gouttes ellipsoïdales. Normalement, les gouttes formées de cette manière seraient sphériques, mais la façon dont le liquide est structuré avant de former la goutte les fait prendre cette forme inhabituelle.

Les gouttes ellipsoïdales résultantes ne sont pas stables longtemps et vont se transformer en sphères après environ 48 heures, mais elles restent stables pour nos expériences. Pour notre étude, on se concentre sur des gouttes de tailles spécifiques, ce qui nous permet d'observer les propriétés nematiques actives. Sous différents types d'éclairage, ces gouttes révèlent une structure avec certaines lignes montrant comment le liquide est organisé, indiquant où la direction du flux change.

#Adding Active Material to the Droplets

Pour créer le nematique actif, on mélange nos gouttes ellipsoïdales dans un gel actif composé de microtubules et de moteurs de kinesin. Ce gel aide à lier et à déplacer les microtubules, et contrairement aux méthodes passées, le gel actif entoure les gouttes plutôt que d'être contenu à l'intérieur. Les microtubules s'accumulent progressivement à l'interface des gouttes, formant la couche active.

Quand le gel actif est mélangé dans un tube capillaire en verre, ça nous permet d'observer comment les gouttes se comportent. Une source constante d'énergie est fournie pour garder les moteurs en marche, permettant un mouvement continu. Après quelques minutes de mélange, on peut voir les microtubules se former autour de la surface des gouttes.

Au fil du temps, le matériau actif s'accumule à la surface, menant à des textures et des flux organisés. Deux états principaux apparaissent : l'état quadrupolaire et l'état dipolaire final, chacun ayant des patterns et des flux distincts.

#Dynamic States

#Quadrupolar State

Après les deux premières heures de l'expérience, le matériau actif a suffisamment accumulé pour créer un état dynamique organisé. Le système montre un changement clair entre les patterns de mouvement. Les défauts dans cet état passent régulièrement d'un pattern de rotation à un où ils se déplacent sur la surface.

Dans l'état rotatif, des paires de défauts occupent les pôles de la goutte tandis que des bandes d'autres défauts apparaissent autour de l'équateur. Les défauts aux pôles se déplacent sur des chemins circulaires tout en restant séparés grâce à des forces élastiques qui agissent sur eux. Le pattern observé s'aligne avec la structure du cristal liquide, montrant une symétrie miroir.

Cependant, comme ces nematiques actifs sont sujets à des instabilités, ils peuvent entraîner des changements dans le comportement des défauts. Pendant cette phase, les défauts peuvent se déplacer d'un pôle à l'autre, créant de nouveaux patterns de flux. La dynamique se répète dans le temps, montrant des comportements périodiques alors que le matériau actif continue de s'accumuler.

#Dipolar State

Au fur et à mesure que l'expérience avance, la quantité de matériau actif sur la goutte se stabilise, et la dynamique passe à un état dipolaire final. Dans cet état, seules deux paires de défauts se déplacent, et leur comportement est moins chaotique qu'auparavant. La différence clé dans cet état est comment les défauts aux pôles tournent maintenant dans des directions opposées, créant un pattern dipolaire.

Alors que les défauts changent entre la rotation et le mouvement droit, la configuration conserve une structure plus organisée sans avoir besoin d'une ceinture équatoriale de défauts. Cet état final reste stable grâce à la rigidité accrue du matériau actif. Les défauts se rassemblent principalement aux pôles, confirmant les prédictions antérieures sur où les défauts sont susceptibles d'être trouvés en fonction de la forme de la goutte.

#Understanding Movements of Defects

#Coupling of Curvature and Forces

L'état final observé dans les expériences est soutenu par des simulations qui explorent comment la courbure affecte les mouvements des défauts. En l'absence de forces actives, les défauts forment des paires aux pôles pour minimiser l'énergie. Lorsque l'activité augmente, les défauts commencent à se comporter de manière chaotique, se déplaçant vers les pôles et montrant des patterns de flux organisés.

Les simulations révèlent en plus que les défauts préfèrent rester près des zones où la courbure est la plus élevée. À mesure que les défauts se déplacent, ils changent de direction mais maintiennent un sens de rotation et peuvent mener à différents types de mouvements en fonction de l'interaction avec la surface de la goutte.

#Role of Friction

La présence de friction joue également un rôle significatif dans la façon dont les défauts se comportent. En ajoutant une force d'amortissement dans les simulations, on peut voir comment la friction peut stabiliser le matériau et aider à prévenir les patterns de flux chaotiques. Dans des scénarios où la friction est inégale, on observe la formation de couloirs de flux organisés, indiquant comment les forces de friction peuvent guider le comportement des nematiques actifs.

#Conclusion

Cette étude montre qu'utiliser des nematiques actifs ellipsoïdaux peut nous aider à comprendre des processus biologiques complexes. L'interaction entre la dynamique des défauts et la courbure, ainsi que les effets de la friction, mène à des comportements intéressants dans ces systèmes. En contrôlant ces facteurs, on peut créer des patterns dynamiques organisés qui ressemblent à ceux observés dans les systèmes biologiques, pouvant potentiellement aider à concevoir de petites machines qui imitent la nature.

En continuant d'explorer ces matériaux, on peut découvrir des insights plus profonds sur comment les cellules fonctionnent et comment tirer parti de ces principes dans des applications pratiques. Les résultats ont le potentiel d'inspirer de nouvelles méthodes pour créer des matériaux avancés et des technologies basées sur les principes des systèmes vivants.