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Des chercheurs ont développé un cadre théorique pour expliquer la mécanique de la réaction des corps en croissance au confinement. Crédit : moonimage/Flickr
Faites pousser une tomate dans une boîte carrée, et vous obtiendrez une tomate carrée. Cette expérience montre clairement comment le confinement peut influencer l’évolution de la forme d’un corps.
Maintenant, MIT et Université de Yale ont mis au point un cadre théorique pour expliquer la mécanique de la réaction des corps en croissance au confinement. Pour tester leur théorie, une équipe de recherche dirigée par Tal Cohen, professeur associé de génie civil et environnemental et de génie mécanique au MIT, a cultivé des bactéries du choléra à l’intérieur d’un gel mou, observant l’architecture des biofilms bactériens en expansion à une résolution unicellulaire alors qu’ils devenaient 10 000 fois plus grands.
Selon la théorie, les biofilms adoptent des voies de croissance qui optimisent leur forme en réponse au confinement et aux dommages subis par le gel environnant lorsqu’il se déforme pour contenir le biofilm, d’après l’étude publiée dans l’édition de l’automne 2008 de l’encyclopédie en ligne. Journal de la mécanique et de la physique des solides.
L’étude des problèmes d’inclusion a été révolutionnée dans les années 1950 par le scientifique britannique John Eshelby, mais les travaux de Cohen et de ses collègues constituent une avancée significative, déclare Pradeep Sharma, titulaire de la chaire M.D. Anderson d’ingénierie mécanique à l’Université de Houston.
“L’une des principales limites du travail d’Eshelby est qu’il se limite aux matériaux qui ne se déforment que légèrement. Or, nous rencontrons régulièrement des contextes où les déformations sont loin d’être “légères””, explique M. Sharma, qui n’a pas participé à l’étude MIT-Yale. “Cohen et ses collègues ont ingénieusement résolu le problème d’inclusion d’Eshelby pour les grandes déformations. Les problèmes d’inclusion dans la matière molle comme les gels, les élastomères utilisés en robotique douce, les membranes biologiques, la façon dont les cellules interagissent dans les tissus sont désormais accessibles grâce à l’article de Cohen.”
Les chercheurs aimeraient en savoir plus sur la façon dont les biofilms se développent, car ils peuvent contribuer à la résistance aux antibiotiques et à l’encrassement mécanique des bateaux et des systèmes de filtration de l’eau. Mais les conclusions de Cohen et de ses collègues s’appliquent également à une variété de scénarios de croissance confinée, qu’il s’agisse d’un précipité se formant à l’intérieur d’un réservoir métallique ou d’un réservoir de stockage. alliage à une tumeur se développant dans un poumon.
Sphères écrasées
Depuis 70 ans, les scientifiques étudient l’interaction entre la croissance et la contrainte environnementale pour les corps confinés ou les inclusions. Ces études utilisent un cadre linéaire pour comprendre la relation : plus le corps en croissance exerce de force sur les limites de son confinement, plus ces limites se déplacent.
Mais le comportement des matériaux dans le monde réel est beaucoup plus compliqué, explique Cohen. Poussées par un corps en croissance, les limites de confinement peuvent résister au déplacement ou se briser. La relation est toujours en évolution, car la forme changeante de l’inclusion interagit avec les réponses changeantes du matériau qui l’entoure. Le laboratoire de Cohen est spécialisé dans l’étude de ces effets non linéaires dans les matériaux solides. La théorie des inclusions non linéaires développée par les chercheurs a permis de prédire des différences significatives dans les formes des inclusions en fonction de leur environnement de croissance. Dans le cas des biofilms, les bactéries ont formé une sphère aplatie ou “écrasée” au lieu d’une sphère régulière lorsque le matériau environnant était plus rigide.
Le système expérimental du biofilm était important pour affiner leur théorie, dit Cohen. “Sans lui, il aurait été très difficile d’observer ces énormes déformations qui se produisent à l’intérieur d’un matériau de manière très contrôlée.”
Les expériences et la théorie ne sont qu’un point de départ, ajoute Cohen. Par exemple, les chercheurs sont également curieux de savoir comment leur théorie pourrait expliquer la façon dont les nutriments se diffusent dans un système en croissance, et si “cela pourrait nous expliquer encore mieux le couplage entre les contraintes et la croissance elle-même”, dit-elle.
Comprendre comment les inclusions se développent – et peut-être comment et pourquoi elles arrêtent de se développer, ou comment elles causent des dommages dans leur corps environnant – pourrait être important pour aborder la croissance des tumeurs, suggère-t-elle. La théorie pourrait également être appliquée au traitement des métaux, afin de mieux contrôler la croissance et les contraintes créées par un précipité dans le métal pour créer des alliages aux caractéristiques différentes.
Une approche différente de la croissance
L’exemple extrême d’un biofilm bactérien dont la croissance est 10 000 fois plus importante est àest au cœur des travaux du laboratoire de Mme Cohen. Elle et ses étudiants s’intéressent à ce qui arrive aux matériaux lorsqu’ils sont poussés à leurs limites. Cette poussée peut provenir d’une charge extrême, d’une onde de choc ou des contraintes liées à la croissance.
Cohen explique que son laboratoire aborde la croissance d’une manière différente de la plupart des autres. La plupart des gens commencent par une observation. Ils voient un arbre, par exemple, ils émettent des hypothèses sur sa croissance, puis créent une théorie qui reproduit l’observation.
Cohen et ses collègues commencent plutôt par examiner les bases de la croissance elle-même. “Nous disséquons un système et essayons de le comprendre au niveau microscopique, dit-elle, et nous nous demandons quels sont les mécanismes de base qui génèrent la croissance ici. Et avec un peu de chance, nous pouvons trouver les principes physiques qui induisent différentes morphologies.”
Les chercheurs s’interrogent ensuite sur la forme que pourrait prendre un système respectant ces principes. Cette approche ouverte, dit Cohen, rend leurs théories utiles pour une variété de problèmes en biologie et dans les systèmes physiques.
Référence : “Nonlinear inclusion theory with application to the growth and morphogenesis of a confined body” par Jian Li, Mrityunjay Kothari, S. Chockalingam, Thomas Henzel, Qiuting Zhang, Xuanhe Li, Jing Yan et Tal Cohen, 17 novembre 2021, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (en anglais).
DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104709
Ce travail a nécessité un effort d’équipe pour combiner des outils analytiques, computationnels et expérimentaux avancés. Les auteurs principaux, Jian Li et Mrityunjay Kothari, tous deux post-docs au MIT, ont dirigé les efforts de calcul et d’analyse, respectivement. Les doctorants du MIT Chockalingam Senthilnathan, Thomas Henzel et Xuanhe Li ont contribué à l’effort théorique. Les expériences ont été menées par Qiuting Zhang, un postdoc à l’Université de Yale dans le groupe du professeur adjoint Jing Yan.
La recherche a été soutenue par l’Office of Naval Research et la National Science Foundation.
