01 avril 2024 (Projecteur Nanowerk) Face aux défis environnementaux croissants, les scientifiques du monde entier recherchent des solutions durables. L’ingénierie des matériaux vivants – des composites incorporant des organismes vivants – est très prometteuse en réduisant notre dépendance à l’égard des matériaux dérivés des combustibles fossiles et en exploitant les propriétés uniques des systèmes vivants.

Révolutionner la science des matériaux avec les organismes vivants

Les matériaux vivants s'inspirent du monde naturel, où les plantes, les animaux et les microbes fabriquent régulièrement des matériaux fonctionnels dans le cadre de leur physiologie normale. Par exemple, les arbres produisent des tissus ligneux composés de fibres de cellulose rigides maintenues ensemble par de la « colle » de lignine, tandis que les moules marines sécrètent des adhésifs sous-marins et certaines bactéries génèrent de l’électricité. Ces systèmes vivants présentent des capacités distinctives telles que l’auto-assemblage, l’auto-guérison, la réactivité et la biosynthèse, difficiles à obtenir avec des matériaux synthétiques. Le domaine de la biologie synthétique offre des outils pour reprogrammer les organismes au niveau génétique, permettant aux scientifiques de concevoir des matériaux vivants dotés de propriétés adaptées. En introduisant des circuits génétiques artificiels, les microbes peuvent être conçus pour détecter les signaux de l'environnement et fabriquer en conséquence des produits définis par l'utilisateur. Les scientifiques des matériaux étudient également comment intégrer des composants vivants à des structures non vivantes telles que des hydrogels et des appareils électroniques. Les « matériaux vivants hybrides » qui en résultent visent à augmenter la fonctionnalité des organismes grâce à la robustesse et à la fabricabilité des composants synthétiques. Plusieurs startups commercialisent désormais les premières technologies de matériaux vivants, mais elles restent confrontées à des défis tels que des coûts de production élevés et une résistance mécanique inférieure à celle des matériaux conventionnels. Cependant, si ces obstacles peuvent être surmontés, les matériaux vivants pourraient un jour remplacer les matériaux conventionnels non durables dans des applications allant de l’emballage à la construction d’infrastructures.

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Apprendre de la nature : chefs-d’œuvre évolutifs de la conception matérielle

Les organismes vivants produisent naturellement une gamme étonnante de matériaux fonctionnels à partir de protéines, de polysaccharides et de minéraux. Par exemple, les plantes ligneuses biosynthétisent la lignine, la cellulose et l’hémicellulose pour construire des troncs d’arbres solides, tandis que les moules marines sécrètent des protéines adhésives sous-marines pour se fixer aux surfaces. Plus intéressant encore, ces matériaux vivants présentent des propriétés dynamiques qui manquent à leurs homologues synthétiques, telles que la capacité de s’auto-assembler, de s’auto-guérir après une blessure, de s’adapter aux stimuli environnementaux et de se renouveler continuellement. Le domaine des matériaux bioinspirés vise à imiter de telles structures naturelles, mais reproduire leurs attributs vivants reste un défi. Aujourd’hui, une approche émergente consiste à concevoir les organismes eux-mêmes pour qu’ils servent d’« usines » microbiennes pour produire des matériaux fonctionnels. En tant qu’experts en synthèse biochimique après des milliards d’années d’évolution, les cellules vivantes offrent potentiellement un moyen durable de fabriquer une grande diversité de biopolymères sur mesure. Les chercheurs catégorisent les systèmes matériels vivants en fonction de leur conception :

• Des matériaux vivants auto-organisés: Construit uniquement à partir de composants vivants tels que des bactéries, des champignons ou des cellules de mammifères. Ils visent à récapituler l’auto-assemblage naturel et les comportements respectueux de l’environnement.
• Matériaux vivants hybrides: Fusionnez les composants vivants avec des échafaudages abiotiques tels que des hydrogels et des appareils électroniques. Les pièces non vivantes améliorent la fabricabilité et augmentent la fonctionnalité des organismes intégrés.

La chaussure concept Adidas, Stan Smith Mylo™, utilise des matériaux dérivés de champignons. (Image : Adidas)

Programmation de matériaux vivants grâce à la biologie synthétique

Le jeune domaine de la biologie synthétique fournit une boîte à outils pour reprogrammer génétiquement les organismes en utilisant les principes de modularité, de standardisation et de modélisation. En utilisant des bibliothèques de parties d'ADN bien caractérisées qui codent pour des fonctions génétiques de base, les biologistes synthétiques peuvent introduire des circuits génétiques artificiels pour donner aux cellules des capacités semblables à celles d'un ordinateur. Par exemple, les réseaux de gènes modifiés permettent aux microbes de détecter des signaux chimiques, d’effectuer des calculs logiques ou de synchroniser leurs comportements au sein des populations. En tirant parti de la biologie synthétique, les chercheurs explorent diverses stratégies pour développer des matériaux vivants auto-organisés dotés de fonctionnalités programmées :

• Personnalisation des éléments de base des matériaux: Les protéines ou polysaccharides sécrétés par les cellules peuvent être fonctionnalisés en les fusionnant avec des peptides ou des protéines grâce à la technologie de l'ADN recombinant. Par exemple, E. coli les protéines matricielles du biofilm ont été modifiées pour permettre l’absorption des métaux lourds et l’adhésion sous-marine.
• Concevoir des circuits génétiques sensibles aux stimuli: L'introduction de circuits qui détectent des signaux tels que des toxines, de la lumière ou des champs électriques permet aux matériaux vivants de détecter et de répondre de manière dynamique aux environnements.
• Ingénierie de la communication cellule-cellule: L'intégration de modules de communication tels que le quorum sensing permet aux populations de cellules artificielles d'autoréguler collectivement la fabrication et les performances des matériaux.
• Construire des consortiums microbiens artificiels: La répartition des tâches entre différentes populations permet des fonctions matérielles plus complexes en répartissant la charge métabolique.

Au-delà des exemples évoqués, la nature constitue une véritable mine d’inspiration. La soie d'araignée possède une résistance et une flexibilité remarquables, tandis que l'os démontre des capacités d'auto-régénération. Les chercheurs étudient comment imiter ces propriétés dans des matériaux techniques. Par exemple, le mycélium, la structure racinaire des champignons, est utilisé pour créer des emballages et des matériaux de construction durables. Des bactéries capables de produire du carbonate de calcium sont incorporées au béton auto-cicatrisant, capable de réparer ses propres fissures. Les scientifiques conçoivent même des tissus contenant des microbes qui changent de couleur en réponse à la pollution ou à la température.

Relier les mondes : la synergie des matériaux hybrides vivants et non vivants

Bien que composés uniquement de vie, les matériaux fabriqués par des organismes artificiels souffrent actuellement de limitations telles qu’une faible résistance mécanique. Pour résoudre ce problème, les chercheurs explorent des systèmes hybrides combinant des cellules vivantes avec des composants abiotiques robustes tout en tirant parti des techniques de fabrication issues de la science des matériaux. Par exemple, des techniques telles que l'impression 3D et microfluidique permettre l’encapsulation contrôlée de cellules vivantes dans des hydrogels polymères personnalisables. Ces gels fournissent un environnement aquatique doux pour maintenir la viabilité cellulaire tout en améliorant les caractéristiques physiques du matériau hybride global. Dans d’autres cas, les chercheurs ont incorporé des composants fonctionnels non vivants qui entrent en synergie avec le métabolisme microbien pour permettre de nouvelles capacités matérielles. Les exemples incluent des nanoparticules semi-conductrices qui collectent l’énergie lumineuse pour alimenter le CO2-fixer des bactéries et des capteurs électroniques qui s'interfacent avec des circuits génétiques modifiés.

Applications concrètes des matériaux vivants

Le pouvoir transformateur des matériaux vivants ne se limite pas aux laboratoires ou aux études théoriques ; c'est une réalité qui se manifeste dans divers secteurs à travers le monde. Ces applications concrètes démontrent comment l'intégration innovante de la biologie avec les principes de l'ingénierie rend les solutions durables tangibles et accessibles. Des bâtiments qui se réparent tout seuls aux textiles qui réagissent au corps humain, en passant par les matériaux d'emballage issus de racines fongiques, les études de cas ci-dessous mettent en lumière des produits et des technologies qui ont déjà un impact. En comblant le fossé entre la sagesse de la nature et la créativité humaine, ces exemples soulignent non seulement le caractère pratique des matériaux vivants, mais également leur potentiel à modifier considérablement les industries, à améliorer les résultats environnementaux et à améliorer la vie quotidienne. Structures architecturales vivantes La Installation Hy-Fi, créé par le groupe d'architectes The Living, illustre le potentiel des matériaux issus de la bio-ingénierie dans la construction. Construite à partir de briques biodégradables constituées de tiges de maïs et de mycélium vivant, la structure démontre comment des matériaux vivants peuvent être utilisés pour créer des projets architecturaux durables et compostables qui ne font aucun compromis sur la résistance ou le design, faisant allusion à l'avenir du bâtiment écologique. Vue d'installation de Hy-Fi. (Image : MoMA) Matériaux de construction écologiques à base de mycélium Le mycélium, la structure racinaire des champignons, est à la pointe de l'innovation matérielle durable, avec des entreprises comme MycoWorks ainsi que Conception écologique ouvrant la voie. Ces entreprises exploitent les processus naturels de croissance du mycélium pour créer des matériaux non seulement solides et durables, mais également entièrement biodégradables. En nourrissant le mycélium avec des déchets agricoles, ils le façonnent en produits allant des alternatives au cuir aux matériaux d'emballage et d'isolation, offrant un exemple convaincant des principes de l'économie circulaire en action. Béton auto-cicatrisant Béton auto-cicatrisant au basilic représente une avancée révolutionnaire dans les matériaux de construction. Ce béton innovant incorpore des bactéries spécifiques qui, lorsqu'elles sont exposées à l'eau, s'activent pour remplir les fissures avec du calcaire, cicatrisant ainsi le béton. Ce processus prolonge considérablement la durée de vie du matériau, réduit les coûts de maintenance et offre une alternative écologique en réduisant potentiellement l'empreinte carbone globale de l'industrie du béton. Production de bioplastiques AirCarbon de Newlight Technologies s'attaque au double défi de la pollution plastique et du changement climatique en utilisant des bactéries mangeuses de méthane pour produire une alternative au plastique biodégradable. Ce processus capte le méthane – un puissant gaz à effet de serre – présent dans l’air et le convertit en un matériau pouvant être utilisé pour une large gamme de produits, des articles de mode aux emballages alimentaires, présentant ainsi une nouvelle approche de réduction des émissions de carbone et des déchets. Revêtements vivants d'ingénierie Agriculture Indigo utilise des enrobages microbiens pour améliorer la santé et le rendement des cultures de manière durable. Ces revêtements contiennent des bactéries bénéfiques qui améliorent la résilience des plantes contre la sécheresse et les ravageurs, réduisant ainsi le besoin d'engrais chimiques et de pesticides. Cette approche innovante soutient non seulement les pratiques agricoles durables, mais met également en évidence le potentiel des matériaux vivants à contribuer à la sécurité alimentaire mondiale. Biocapteurs portables Laboratoire de matière de morphing est pionnier de bioLogic, l'intégration de matériaux vivants dans l'industrie textile avec son tissu réactif, qui intègre des cellules vivantes de bactéries natto (Bacillus subtilis) comme nanoactionneur sensible à l'humidité. Les rabats du tissu s'ouvrent et se ferment en réponse à la transpiration du porteur, offrant ainsi une ventilation naturelle. Cette innovation textile intelligente ouvre de nouvelles possibilités pour la technologie portable, alliant confort, fonctionnalité et durabilité.

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Réaliser le potentiel de durabilité des matériaux vivants

Les défenseurs pensent que les matériaux vivants pourraient offrir plusieurs avantages en matière de durabilité par rapport à la fabrication conventionnelle, notamment :

• Utiliser des microbes génétiquement modifiés comme usines cellulaires pour produire des bioplastiques renouvelables, des substituts du cuir et des pigments. Cela réduit la dépendance aux matières premières pétrochimiques.
• Employer des organismes pour la biorestauration active des polluants et des déchets. Les microbes artificiels semblent prometteurs pour capter le carbone de l’air ou dégrader les déchets plastiques.
• Concevoir des enrobages vivants probiotiques qui prolongent la durée de conservation des aliments, réduisant ainsi la détérioration et le gaspillage.
• Utiliser des bactéries fixatrices d’azote ou déposant des minéraux comme engrais à base de microbes pour une agriculture plus durable, réduisant ainsi les besoins en engrais synthétiques.

Même si les matériaux vivants sont extrêmement prometteurs, plusieurs obstacles doivent être surmontés avant leur adoption généralisée. Les coûts de production dépassent actuellement de nombreux matériaux conventionnels. L'utilisation d'organismes génétiquement modifiés soulève des préoccupations en matière de biosécurité, nécessitant des évaluations rigoureuses du confinement et des risques environnementaux. La perception du public à l’égard de la biologie synthétique varie et une communication claire sur les avantages et les risques potentiels sera cruciale. Enfin, l’ingénierie des matériaux vivants nécessite une approche véritablement interdisciplinaire, favorisant les collaborations entre des domaines qui n’interagiraient pas traditionnellement. Néanmoins, les matériaux vivants représentent une intersection passionnante entre la biologie synthétique et la science des matériaux. Avec les progrès continus dans l’ingénierie des cellules et la gestion des communautés microbiennes, les technologies vivantes pourraient un jour fournir des solutions durables pour la fabrication de produits chimiques, le traitement des eaux usées, la séquestration du carbone de l’air et bien plus encore. Mais des avancées majeures dans le domaine seront nécessaires pour faire de cette vision futuriste une réalité. En conclusion, les matériaux vivants représentent une approche révolutionnaire en matière de fabrication durable, offrant une alternative intéressante aux matériaux synthétiques conventionnels. En exploitant la puissance des organismes vivants et en les intégrant à des techniques d’ingénierie avancées, les scientifiques et les innovateurs créent des matériaux qui présentent des propriétés remarquables telles que l’auto-assemblage, l’auto-guérison et l’adaptabilité. Des matériaux de construction écologiques issus du mycélium au béton auto-réparateur et aux plastiques biodégradables produits par des bactéries, les applications concrètes des matériaux vivants démontrent leur potentiel pour révolutionner les industries, réduire l'impact environnemental et améliorer notre vie quotidienne. À mesure que le domaine continue de progresser, grâce aux progrès de la biologie synthétique et aux collaborations interdisciplinaires, les matériaux vivants sont sur le point de jouer un rôle crucial dans la construction d’un avenir plus durable. Toutefois, pour réaliser ce potentiel, il faudra relever des défis tels que les coûts de production, les préoccupations en matière de biosécurité et la perception du public. Néanmoins, la promesse des matériaux vivants est indéniable, et leur développement représente une frontière passionnante dans la quête de solutions innovantes aux défis mondiaux de la durabilité.

Explorez davantage : une passerelle vers l'avenir des matériaux vivants

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By

Michael
Berger

– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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