Les physiciens utilisent des champs magnétiques pour manipuler le comportement des bactéries

Des chercheurs de l’université Aalto en Finlande ont trouvé un moyen d’utiliser des aimants pour aligner les bactéries pendant qu’elles nagent. Cette approche offre plus qu’un simple moyen de mettre les bactéries en ordre : elle fournit également un outil utile pour un large éventail de recherches, telles que les travaux sur les matériaux complexes, les transitions de phase et la physique de la matière condensée.

L’article est publié dans la revue Physique des communications.

Les cellules bactériennes ne sont généralement pas magnétiques, de sorte que les aimants n’interagissent pas directement avec les bactéries. Au lieu de cela, les bactéries sont mélangées à un liquide avec des millions de nanoparticules magnétiques. Cela signifie que les bactéries en forme de bâtonnets sont en fait des vides non magnétiques à l’intérieur du fluide magnétique.

Lorsque les aimants sont activés, créant un champ magnétique, les bactéries sont poussées à s’aligner avec le champ magnétique, car toute autre disposition nécessite plus d’énergie : il est plus difficile de maintenir les trous en forme de tige à un angle par rapport au champ magnétique.

« Nous avons réussi à contrôler des bactéries Bacillus subtilis parfaitement régulières à l’aide de champs magnétiques. Ces bactéries ne sont pas magnétiques, contrairement à certaines bactéries magnétotactiques rares », explique le professeur adjoint Jaakko Timonen, qui a dirigé l’étude.

« En un mot, l’arrangement le plus stable est que les « trous » bactériens s’alignent avec le champ magnétique, ce qui entraîne un couple sur le corps des bactéries, les poussant à s’aligner », explique le chercheur postdoctoral Kazusa Beppu.

La force du champ magnétique contrôle l’alignement des bactéries. Lorsque les aimants étaient éteints, les bactéries nageaient au hasard. À mesure que les chercheurs augmentaient la force du champ magnétique, les bactéries devenaient de plus en plus alignées, nageant finalement en rangées presque parfaites.

La quantité de bactéries a également une influence. Lorsque la densité de population était élevée, il fallait un champ magnétique plus fort pour que les bactéries s’alignent. En effet, les bactéries nageuses affectent le liquide d’une manière similaire à la turbulence. Lorsqu’il y a beaucoup de bactéries, l’effet de turbulence est fort et il faut un champ magnétique plus fort pour le surmonter.

« L’écoulement de fluides créé par les bactéries dans des suspensions denses est appelé turbulence active car il contient des structures caractéristiques des écoulements turbulents, comme les tourbillons. Cependant, il est important de comprendre que cette turbulence dite active est fondamentalement différente de la turbulence normale rencontrée, par exemple, dans l’aviation », précise Timonen.

La turbulence active est un phénomène extrêmement courant dans la nature. Elle est provoquée par les actions combinées d’unités individuelles, comme des cellules qui nagent ou se déplacent, c’est-à-dire des bactéries, des spermatozoïdes ou des cellules épithéliales. « La turbulence active est un sujet de recherche important en physique de la matière active, et les suspensions bactériennes denses de notre système sont un excellent outil pour l’étudier », explique Beppu.

Les micro-courriers du futur ?

En fin de compte, aussi amusant que cela puisse paraître, ce travail ne consiste pas seulement à faire nager les bactéries de manière ordonnée. La capacité à contrôler le mouvement des bactéries ainsi que l’écoulement turbulent est importante pour comprendre et manipuler la matière active, des matériaux dans lesquels des motifs dynamiques émergent du comportement de parties individuelles. Pensez à des volées d’oiseaux, mais à un niveau cellulaire.

Les chercheurs envisagent des applications autour de matériaux autonomes ou de l’exploitation du potentiel de la microrobotique ou des moteurs biologiques pour récolter de l’énergie ou transporter des matériaux. L’administration ciblée de médicaments pourrait, par exemple, se faire à l’échelle microscopique.

« C’est passionnant de pouvoir contrôler la matière active de manière spatiotemporelle et polyvalente sur un espace bien plus grand que la taille des unités actives individuelles », ajoute Beppu. « Et comme notre méthode est polyvalente, elle peut être appliquée non seulement aux systèmes bactériens, mais aussi à une variété d’autres systèmes, ce qui fera progresser considérablement l’étude expérimentale de la matière active. »

La capacité à affiner les alignements de cette manière constituera également un outil précieux dans d’autres domaines de recherche, comme les travaux sur les transitions de phase ou la physique de la matière condensée. Parallèlement, les chercheurs prévoient d’étendre leurs travaux en testant ce qui se passe lorsque le champ magnétique est dynamique, par exemple avec un champ magnétique rotatif.

Beppu s’attend à voir une grande variété de nouveaux phénomènes dans ces expériences, ajoutant que « comprendre la contrôlabilité magnétique de l’orientation et du flux est important pour la conception de matériaux actifs fonctionnels ».