Une couche ultra-fine de lipides aide les pieds de gecko à rester collants
Les geckos sont réputés pour leurs pattes adhérentes qui leur permettent de gravir facilement les surfaces verticales. Ils obtiennent cette superpuissance apparente de millions de structures microscopiques ressemblant à des cheveux sur leurs orteils. Maintenant, les scientifiques ont zoomé pour examiner de plus près ces structures, appelées soies, et ont découvert qu’elles sont recouvertes d’un film ultra-mince de molécules lipidiques hydrofuges d’un nanomètre ou d’un milliardième de mètre d’épaisseur.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont analysé la surface des soies à l’aide de rayons X à haute énergie émis par un type d’accélérateur de particules appelé synchrotron. Le microscope synchrotron a montré que les molécules lipidiques tapissent la surface des soies en réseaux denses et ordonnés.
Une équipe internationale de chercheurs a publié les résultats dans Lettres de biologie Un article complémentaire antérieur, publié dans Lettres de chimie physique ont utilisé la même technique pour montrer comment les brins de protéines individuels qui composent les soies sont alignés.
« On en savait déjà beaucoup sur le fonctionnement mécanique des soies », a déclaré Cherno Jaye, physicien et co-auteur du NIST. « Maintenant, nous avons une meilleure compréhension de leur fonctionnement en termes de structure moléculaire. »
Les geckos ont inspiré de nombreux produits, notamment des rubans adhésifs aux microstructures ressemblant à des soies. Comprendre les caractéristiques moléculaires des soies pourrait amener les inventeurs qui s’inspirent de la nature – un concept appelé biomimétisme – à proposer des conceptions encore meilleures.
Les soies fournissent un pouvoir collant car elles sont flexibles et adoptent les contours microscopiques de la surface sur laquelle le gecko grimpe. Des structures encore plus petites aux extrémités des soies, appelées spatules, établissent un contact si étroit avec la surface d’escalade que les électrons des deux matériaux interagissent, créant un type d’attraction appelé forces de van der Waals. Pour libérer son pied, qui pourrait autrement rester coincé, le gecko modifie l’angle des soies, interrompant ces forces et permettant à l’animal de faire son prochain pas.
Les lipides peuvent jouer un rôle dans ce processus car ils sont hydrophobes, c’est-à-dire qu’ils repoussent l’eau. « Les lipides pourraient fonctionner pour repousser toute eau sous les spatules, leur permettant d’établir un contact plus étroit avec la surface », a déclaré le physicien et co-auteur Tobias Weidner de l’Université d’Aarhus au Danemark. « Cela aiderait les geckos à maintenir leur adhérence sur les surfaces humides. »
Les soies et les spatules sont constituées d’un type de protéine de kératine similaire à celle que l’on trouve dans les cheveux et les ongles humains. Ils sont extrêmement délicats. Les chercheurs ont montré que les fibres de kératine sont alignées dans le sens des soies, ce qui pourrait les aider à résister à l’abrasion.
« La chose la plus excitante pour moi à propos de ce système biologique est que tout est parfaitement optimisé à toutes les échelles, du macro au micro et au moléculaire », a déclaré le biologiste et co-auteur Stanislav Gorbof de l’Université de Kiel en Allemagne. « Cela peut aider les ingénieurs biomimétiques à savoir quoi faire ensuite. »
« Vous pouvez imaginer des bottes gecko qui ne glissent pas sur des surfaces mouillées, ou des gants gecko pour tenir des outils mouillés », a déclaré Dan Fischer, physicien et co-auteur du NIST. « Ou un véhicule qui peut courir sur les murs, ou un robot qui peut courir le long des lignes électriques et les inspecter. »
Le microscope synchrotron NIST que les chercheurs ont utilisé pour analyser les soies est unique dans sa capacité à identifier des molécules à la surface d’un objet tridimensionnel, à mesurer leur orientation et à cartographier leur position. Il est situé au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie, où la source de lumière synchrotron nationale II, un accélérateur de particules d’un demi-mile de long, fournit une source de rayons X à haute énergie pour l’éclairage.
Ce microscope est généralement utilisé pour comprendre la physique des matériaux industriels avancés, notamment les batteries, les semi-conducteurs, les panneaux solaires et les dispositifs médicaux.
« Mais il est fascinant de comprendre comment fonctionnent les pieds de gecko », a déclaré Fischer, « et nous pouvons apprendre beaucoup de la nature lorsqu’il s’agit d’améliorer notre propre technologie. »
Référence: Rasmussen MH, Holler KR, Baio JE, et al. Preuve que les soies de gecko sont recouvertes d’un film lipidique ordonné d’une épaisseur nanométrique. Lett Biol. 18(7):20220093. doi : 10.1098/rsbl.2022.0093
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