Micronageur: Propulsion et navigation moléculaire issues du génie biologique dans l'ADN Origami

Par Fouad Sabry

Plongez dans le monde fascinant des micro-nageurs, où l'ADN Origami rencontre la frontière de la nanotechnologie. Ce livre comble le fossé entre l'innovation scientifique et l'application pratique, en explorant la propulsion microscopique et la technologie biohybride. Essentiel pour les professionnels, les étudiants et les passionnés, il dévoile le potentiel transformateur des micro-nageurs en médecine, en robotique et au-delà.

Brève présentation des chapitres :

1 : Micro-nageur – Présente le concept, la physique et l'importance des micro-nageurs en nanotechnologie.

2 : Micro-nageur biohybride – Explore les micro-nageurs bio-conçus qui fusionnent des composants biologiques et synthétiques.

3 : Mouvement collectif – Examine comment les micro-nageurs coordonnent les mouvements dans des environnements fluides.

4 : Autopropulsion – Détaille les mécanismes permettant un mouvement autonome dans des espaces confinés et non structurés.

5 : Metin Sitti – Met en évidence les contributions d'un chercheur de premier plan en robotique à micro-échelle et en systèmes biohybrides.

6 : Nanomoteur – Discute des moteurs à l'échelle nanométrique qui pilotent la fonctionnalité et l'efficacité des micro-nageurs.

7 : Particules autopropulsées – Étudie la physique et les applications du mouvement autonome à l'échelle nanométrique et micrométrique.

8 : Locomotion protiste – Analyse la propulsion biologique des micro-organismes comme source d'inspiration pour les micro-nageurs.

9 : Théorème de la coquille Saint-Jacques – Explique la contrainte fondamentale du mouvement réciproque dans les environnements à faible nombre de Reynolds.

10 : Bradley Nelson – Présente les avancées d'un pionnier des systèmes microrobotiques et de l'administration ciblée de médicaments.

11 : Matière active – Examine le comportement collectif dans les systèmes actifs, influençant le développement des micro-nageurs.

12 : Motilité bactérienne – Explore les techniques de propulsion inspirées de la nature à partir de la locomotion bactérienne.

13 : Microbotique – Relie la technologie des micro-nageurs au domaine en évolution de la robotique à l'échelle microscopique.

14 : Nanorobotique – Plonge dans l’interaction entre l’origami ADN et la conception robotique à l’échelle nanométrique.

15 : Spermatozoïdes robotisés – Étudie les micronageurs à base de spermatozoïdes biohybrides pour des applications médicales.

16 : Chimiotaxie – Explore la capacité des micronageurs à naviguer dans des gradients chimiques pour un mouvement ciblé.

17 : Machine moléculaire – Discute de l’intégration des machines moléculaires dans la technologie des micronageurs.

18 : Microfluidique – Met en évidence le rôle des micronageurs dans la manipulation des fluides à l’échelle micro et nanométrique.

19 : RunandTumble Motion – Explore les stratégies de mouvement aléatoire inspirées des bactéries pour la locomotion adaptative.

20 : Motilité – Analyse les stratégies de mouvement biologiques et synthétiques pertinentes pour les micronageurs.

21 : Robotique souple – Examine les applications des micronageurs dans les systèmes robotiques souples flexibles et adaptatifs.

La compréhension des micronageurs est essentielle dans la science moderne, de la médecine de précision aux matériaux intelligents. Ce livre propose une exploration de pointe mais accessible, permettant aux professionnels et aux passionnés de saisir le potentiel de la nanotechnologie basée sur l'ADN. Développez vos connaissances, inspirez l'innovation et gardez une longueur d'avance dans ce domaine révolutionnaire.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 13 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Micronageur

La capacité de se déplacer dans un environnement fluide est ce qui distingue un micronageur des autres types d'objets microscopiques. Dans le monde naturel, les micronageurs naturels peuvent être trouvés partout en tant que micro-organismes biologiques. Quelques exemples de micronageurs naturels sont les bactéries, les archées, les protistes, les spermatozoïdes et les animaux qui sont plutôt petits. La production de micronageurs synthétiques et biohybrides suscite un intérêt croissant depuis le tournant du millénaire. Bien qu'ils n'existent que depuis vingt ans, ils ont déjà démontré qu'ils ont le potentiel d'être utilisés dans une variété d'applications biomédicales et environnementales.

Il n'y a actuellement pas d'accord dans la littérature concernant la nomenclature des objets microscopiques qui sont appelés « micronageurs » dans cet article. C'est compréhensible compte tenu de la nature relativement nouvelle de la région. Micronageurs, nageurs à micro-échelle, micro/nanorobots et micro/nanomoteurs sont peut-être les noms les plus couramment utilisés pour désigner ce type d'objets, parmi les nombreux autres noms qui sont écrits à leur sujet dans la littérature scientifique. Il est possible que d'autres noms communs soient plus descriptifs. Ces phrases peuvent inclure des informations sur la géométrie de l'objet, comme le microtube ou la microhélice, ses composants, tels que le biohybride, le spermbot, le bacteriabot ou le micro-bio-robot, ou son comportement, comme le micro-fusée, le microbullet, le micro-outil ou le microrouleau. De plus, les chercheurs ont donné à leurs micronageurs des noms particuliers, tels que medibots, hairbots, iMushbots, IRONSperm, teabots, biobots, T-budbots ou MOFBOTS.

Robert Brown, un biologiste britannique, a découvert que le pollen a un mouvement constant de secousses dans l'eau en 1828. Il a écrit sur sa découverte dans un article intitulé « Un bref compte rendu des observations microscopiques... », qui a conduit à une discussion scientifique approfondie concernant la cause de ce mouvement. Ce mystère n'a été résolu qu'en 1905, lorsqu'Albert Einstein a publié son célèbre article intitulé « über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen ». Ce fut le tournant qui a permis de résoudre ce mystère. D'une certaine manière, Einstein a été le premier microrhéologue au monde parce qu'il a non seulement déterminé la diffusion des particules en suspension dans les liquides au repos, mais il a également indiqué que ces découvertes pouvaient être utilisées pour mesurer la taille des particules.

Depuis que Newton a développé ses équations du mouvement, le mystère du mouvement à l'échelle microscopique a émergé régulièrement dans l'histoire de la science. C'est l'un des exemples les plus célèbres de ce phénomène, et il est illustré par quelques articles qui devraient être rapidement examinés. Osborne Reynolds est crédité d'avoir popularisé l'idée que l'importance relative de l'inertie et de la viscosité pour le mouvement d'un fluide dépend d'aspects particuliers du système considéré. Il s'agit d'une notion fondamentale. En utilisant un rapport sans dimension de forces d'inertie et visqueuses caractéristiques, le nombre de Reynolds Re, qui porte son nom, fournit une représentation quantitative de cette comparaison :

Dans ce contexte, la lettre grecque ρ désigne la masse volumique du fluide, tandis que la lettre u représente une vitesse distinctive du système (par exemple, la vitesse d'une particule nageuse), la lettre l indique une échelle de longueur caractéristique (par exemple, la taille du nageur) et la lettre grecque μ représente la viscosité du fluide. En considérant l'eau comme le fluide en suspension et en utilisant les valeurs qui ont été trouvées empiriquement pour vous, il est possible de déterminer que l'inertie joue un rôle significatif dans le mouvement des nageurs macroscopiques tels que les poissons (Re = 100), tandis que la viscosité est le facteur dominant dans le mouvement des nageurs à l'échelle microscopique tels que les bactéries (Re = 10−4).

L'importance écrasante de la viscosité pour la nage à l'échelle micrométrique a des répercussions importantes sur la technique qu'un individu utilise pour nager. E. a donné lieu à une discussion mémorable sur ce sujet. M. Purcell, qui a fourni au lecteur une expérience interactive dans le monde des microbes et a étudié théoriquement les conditions dans lesquelles ils se déplacent. En premier lieu, les tactiques de propulsion des nageurs à grande échelle impliquent souvent le transfert d'élan au fluide qui les entoure lors d'événements discrets périodiques, tels que la libération de vortex et la navigation en roue libre entre ces événements par l'utilisation de l'inertie. Le temps d'inertie d'une particule de taille micrométrique est de l'ordre d'une microseconde, ce qui signifie que cette méthode ne peut pas être efficace pour les nageurs à micro-échelle tels que les bactéries. Cela est dû à l'amortissement visqueux élevé qu'ils subissent. On estime qu'un microbe se déplaçant à une vitesse typique se déplacera d'environ 0,1 angströms (Å) sur sa distance de croisière. Purcell est arrivé à la conclusion que les seules forces qui contribuent à la propulsion d'un corps à l'échelle microscopique sont celles qui s'exercent dans le moment présent sur le corps. Par conséquent, un mécanisme qui convertit l'énergie de manière cohérente est nécessaire.

Le métabolisme des micro-organismes a été conçu pour une production d'énergie continue, tandis que les micronageurs (microrobots) qui sont totalement artificiels doivent recevoir de l'énergie de l'environnement car leur capacité de stockage à bord est extrêmement limitée. Conséquence supplémentaire du gaspillage continu d'énergie, les micronageurs biologiques et artificiels n'obéissent pas aux principes de la physique statistique de l'équilibre. Au lieu de cela, ils nécessitent une description basée sur la dynamique de non-équilibre. Purcell a étudié les ramifications d'un faible nombre de Reynolds d'un point de vue mathématique en utilisant l'équation de Navier-Stokes et en supprimant les termes d'inertie :

où le vecteur {U en gras} représente la vitesse du fluide et le vecteur {Bold Nabla, P} représente le gradient de la pression. Comme l'a souligné Purcell, l'équation qui a été produite en conséquence, connue sous le nom d'équation de Stokes, n'inclut aucune dépendance temporelle explicite. Cela a un certain nombre de répercussions importantes associées à la manière dont une entité suspendue, telle qu'une bactérie, est capable de nager par des mouvements mécaniques périodiques ou des déformations, telles que celles d'un flagelle. Changer la vitesse du mouvement affectera l'échelle des vitesses du fluide et du micronageur, mais cela ne changera pas le modèle d'écoulement du fluide. C'est le premier point à souligner. La vitesse de mouvement n'a presque aucune importance pour le mouvement du micronageur et le liquide qui l'entoure. Deuxièmement, l'inversion de la direction du mouvement dans un système mécanique entraînera simplement l'inversion de toutes les vitesses à l'intérieur du système. En raison de ces caractéristiques de l'équation de Stokes, la variété des tactiques de nage actuellement possibles est sévèrement limitée.

Un exemple qui peut être utilisé pour illustrer ce concept est un pétoncle mathématique, qui est composé de deux composants rigides reliés par une charnière. Est-il possible pour le « pétoncle » de nager si la charnière est ouverte et fermée à intervalles réguliers ? Ce n'est pas le cas : la coquille Saint-Jacques retournera toujours à son point de départ à la fin du cycle, quelle que soit la façon dont le cycle d'ouverture et de fermeture dépend du passage du temps. C'est là que la célèbre remarque « Rapide ou lent, il revient exactement sur sa trajectoire et c'est de retour à son point de départ » a été prononcée pour la première fois. En tenant compte du théorème du pétoncle, Purcell a créé de nombreuses méthodes qui peuvent être utilisées pour fabriquer du mouvement artificiel à une micro-échelle. Cette publication continue d'être une source d'inspiration pour le débat scientifique actuel. Par exemple, des recherches récentes menées par le groupe Fischer à l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents ont prouvé expérimentalement que le principe de la coquille Saint-Jacques n'est applicable qu'aux fluides newtoniens.

Le mouvement des micronageurs est régulé par la viscosité, ce qui signifie que le mouvement est presque entièrement entraîné par la traînée. Cela a été couvert dans la partie qui a précédé celle-ci. De plus, le théorème de la coquille Saint-Jacques révèle que les micronageurs ne peuvent pas compter sur la dépendance temporelle pour se déplacer, ce qui nécessite qu'ils aient plus d'un degré de liberté. Les dérivations des composantes parallèles et normales de la traînée sur des géométries simples dans l'écoulement rampant peuvent être trouvées dans les médias enregistrés et dans les œuvres publiées, notamment dans les sphères : {upper F Indice s p h e r e La ligne de base est égale à 6 pi mu u u are} et les sphéroïdes avec les axes majeur et mineur a, b : {high F Indice p a r a l l e l Ligne de base est égale à 6 pi parenthèse gauche StartFraction 4 plus a divisé par b sur 5 Parenthèse droite EndFraction} {supérieur F Indice p e r p e n d i c u l a r Ligne de base égale 6 pi parenthèse gauche StartFraction 3 plus 2 a divisé par b Sur 5 Parenthèse droite EndFraction} En raison de la nature linéaire des équations de fluide gouvernantes, le principe de superposition peut être utilisé pour modéliser des géométries plus complexes,  tels que les tire-bouchons, à la suite de l'analyse menée par Purcell et peut-être d'autres chercheurs. À titre d'illustration, ce qui suit montre la traînée et le couple associés à la bobine hélicoïdale :

{StartBinomialOrMatrix upper F Choisissez upper T EndBinomialOrMatrix equals Start 2 By 2 Matrix 1ère ligne 1ère colonne a 2nd Column b 2nd Row 1ère colonne b 2nd Column b 2nd Column c EndMatrix StartBinomialOrMatrix u Choose omega EndBinomialOrMatrix}

{a est égal à 2 pi n sigma parenthèse gauche StartFraction xi Indice parallèle à la ligne de base cosinus carré parenthèse gauche theta parenthèse droite plus xi Indice vers le haut Baseline sinus carré parenthèse gauche theta parenthèse droite Over sinus parenthèse gauche theta parenthèse droite EndFraction parenthèse droite}

{b est égal à 2 pi n sigma carré parenthèse gauche xi Indice parallèle à la ligne de base moins xi Indice vers le haut Point de référence parenthèse droite cosinus parenthèse gauche alpha parenthèse droite}

{c est égal à 2 pi n sigma parenthèse gauche au cube StartFraction xi Indice parallèle à la ligne de base sinus carré parenthèse gauche theta parenthèse droite plus xi Indice up tack Ligne de base cosinus carré parenthèse gauche theta parenthèse droite Over sinus gauche theta right parenthèse EndFraction parenthèse droite}

{xi Indice parallèle à la ligne de base est égal à StartStartFraction 2 pi mu OverOver ln parenthèse gauche StartFraction 0.36 pi sigma Over r sinus parenthèse gauche theta parenthèse droite EndFraction parenthèse droite EndEndFraction virgule xi Indice up tack Baseline equals StartStartFraction 4 pi mu OverOver ln parenthèse gauche StartFraction 0.36 pi sigma Over r sinus parenthèse gauche theta parenthèse droite plus 0.5 EndFraction parenthèse droite EndEndFraction} ?

Il s'agit de arctan {bold nabla p}0. Bien que le théorème de la coquille Saint-Jacques nécessite l'existence de plus d'un degré de liberté, il est essentiel de garder à l'esprit que le mouvement d'un tire-bouchon simple peut être réalisé par l'application de forces externes, telles que les forces magnétiques.

Les micronageurs sont disponibles dans une variété de variétés distinctes, chacune d'entre elles étant entraînée et actionnée d'une manière unique. Les techniques de nage de micronageurs individuels ainsi que celles d'essaims de micronageurs ont été étudiées au cours de nombreuses années. D'une manière générale, les micronageurs dépendent soit de sources d'énergie externes, comme c'est le cas pour le contrôle magnétique, optique ou acoustique, soit ils utilisent le carburant présent dans leur environnement, comme c'est le cas avec les micronageurs biohybrides ou catalytiques. En règle générale, l'actionnement magnétique et acoustique est compatible avec la manipulation in vivo du micronageur. Les micronageurs catalytiques peuvent être spécialement construits pour utiliser des carburants in vivo, et ils peuvent également être utilisés pour manipuler des micronageurs in vivo. Des exemples fascinants ont été présentés, malgré le fait que l'application de forces optiques dans des fluides biologiques ou in vivo est une tâche plus difficile.

Les chercheurs choisissent souvent de s'inspirer des phénomènes naturels, soit pour la conception globale du micronageur, soit dans le but d'obtenir le type de propulsion qu'ils désirent. Par exemple, l'un des premiers micronageurs bio-inspirés était composé de globules rouges humains qui avaient été modifiés avec un composant artificiel ressemblant à un flagelle. Ce composant était composé de filaments de particules magnétiques qui étaient liés entre eux par des interactions entre la biotine et la streptavidine. Plus récemment, il a été prouvé que l'utilisation de la lumière incurvée démontre la nage biomimétique, qui a été inspirée par les caractéristiques des vagues mobiles ressemblant à des vers, la locomotion des crevettes et l'action bactérienne de course et de culbute.

L'utilisation de micronageurs biohybrides est un mode de fonctionnement alternatif qui s'inspire de la nature. Le composant vivant et le composant synthétique sont tous deux inclus dans ceux-ci. La plupart du temps, les biohybrides utilisent le mouvement à l'échelle micrométrique d'une variété de systèmes biologiques. De plus, ils sont capables d'utiliser des comportements supplémentaires caractéristiques de la composante vivante. Les bactéries, les spermatozoïdes et les cellules magnétotactiques sont les principales espèces qui sont utilisées comme modèles pour les micronageurs magnétiques bioinspirés et biohybrides. Non seulement l'actionnement de micronageurs bioinspirés a été démontré par l'utilisation de forces magnétiques, mais il a également été démontré par l'utilisation d'une excitation acoustique ou de forces optiques. Le processus de phototaxie est un autre comportement qui s'inspire de la nature et est associé à des forces optiques. Ce phénomène peut être utilisé par des micro-organismes qui transportent des marchandises, des micronageurs synthétiques ou des micronageurs biohybrides, entre autres. Récemment, un certain nombre d'articles de synthèse ont été publiés dans le but d'expliquer ou de comparer les différents systèmes de propulsion et de contrôle actuellement utilisés dans l'actionnement des micronageurs. Afin de fournir un guidage in vivo contrôlé, l'actionnement magnétique est généralement incorporé dans la conception. C'est le cas même avec les micronageurs, qui utilisent un type de propulsion différent. Une étude sur l'utilisation de robots magnétiques à petite échelle pour des applications biomédicales a été menée par Koleoso et al. en 2020. Les auteurs ont fourni des informations sur les différents champs magnétiques et systèmes d'actionnement qui ont été développés dans le but de réaliser de telles applications.

L'utilisation d'une variété de techniques, telles que la polymérisation à deux photons, l'impression tridimensionnelle, la photolithographie, l'électrodéposition assistée par modèle ou la connexion d'un composant vivant à un composant inanimé, sont quelques-unes des méthodes qui peuvent être utilisées dans la fabrication de micronageurs. L'impression quadridimensionnelle, également connue sous le nom d'impression tridimensionnelle de matériaux sensibles aux stimuli, est utilisée dans des méthodes plus contemporaines. Une fonctionnalisation plus poussée est souvent nécessaire, soit pour permettre un type particulier d'actionnement, tel qu'un revêtement métallique pour le contrôle magnétique ou les réponses thermoplasmoniques, soit dans le cadre de l'application, si certaines caractéristiques sont requises pour une application particulière, telles que la détection, le transport de marchandises, les interactions contrôlées avec l'environnement ou la biodégradation.

L'autopropulsion et la propulsion par champ externe sont les deux stratégies de base utilisées par les micronageurs. Les micronageurs peuvent également être classés selon les méthodes qu'ils utilisent pour se propulser. Dans le cadre du processus d'autopropulsion, un carburant chimique est appliqué à la surface du robot. Ce carburant réagit avec l'environnement liquide pour produire des bulles qui poussent le robot. Des champs optiques, magnétiques, acoustiques ou électriques peuvent être utilisés pour la propulsion en champ externe, ce qui offre un plus grand degré de polyvalence. Le champ externe est plus adapté aux applications biologiques car il ne nécessite pas de carburants chimiques qui produisent des polluants susceptibles d'endommager l'hôte que les micronageurs entretiennent. Ces polluants comprennent des films et des composés qui peuvent être biocompatibles. De plus, cette approche de propergol offre une résolution spatiale plus élevée et un plus grand degré de contrôlabilité. Les développements récents ont permis aux micronageurs de se déplacer en trois dimensions, ce qui a augmenté leur adaptabilité et leur