Matériaux Biologiques et Biomimétisme
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Le Laboratoire de Biologie des Organismes Marins et Biomimétisme étudie les matériaux biologiques et leurs caractéristiques avec un intérêt tout particulier pour les biomatériaux produits par les invertébrés marins. L'objectif poursuivi est la description précise de ces matériaux, de leur biosynthèse et de leur rôle dans la biologie et l'écologie des organismes qui les produisent. La recherche se fait de manière intégrée, combinant des approches complémentaires, afin d'appréhender la diversité de structures, de compositions et de propriétés des matériaux biologiques. Ces approches sont morphologiques (ultrastructure des organes et tissus produisant les biomatériaux, micro-et nanostructure de ces matériaux), biomécaniques (mesure des propriétés mécaniques et identification des facteurs qui les influencent) ou encore biochimiques (caractérisation biochimique et biomoléculaire des substances impliquées). A terme, ces études visent au développement de matériaux biomimétiques.
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Parmi l’énorme diversité des matériaux biologiques d’origine marine, notre laboratoire s’est spécialisé dans l’étude des adhésifs produits par les invertébrés marins. De plus, d'autres biomatériaux sont également investigués tels que le tissu conjonctif mutable des échinodermes, les cuticules et le mucus.
R.Pillon
Les adhésifs marins
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Les océans regorgent de bactéries, d’algues et d’animaux produisant des adhésifs à base de protéines qui sont capables coller des surfaces complètement immergées. Parmi ces organismes, l’adhérence est particulièrement développée chez les invertébrés qui l’utilisent pour s’attacher sur les fonds marins, mais aussi pour d’autres fonctions telles que la collecte de nourriture ou la construction de tubes ou de terriers. Parce que les adhésifs produits par les invertébrés marins opèrent en milieu aqueux salin, ils présentent un potentiel élevé pour des applications dans le corps humain. Par exemple, ils pourraient représenter une alternative au colles chirurgicales disponibles actuellement (e.g., colles à base de fibrine ou de cyanoacrylate), qui ne peuvent pas être utilisées dans des zones continuellement baignées par des liquides corporels (muqueuses, vessie, membrane fœtale, etc).
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Les travaux de recherche menés au sein du laboratoire se focalisent sur les différents mécanismes d’adhérence, tous à base de protéines, développés par les invertébrés marins. L’attention s’est portée, à l’origine, sur les échinodermes, un groupe d’invertébrés présentant deux systèmes adhésifs distincts : les podia utilisant l’adhérence temporaire et les tubes de Cuvier se basant sur l’adhérence instantanée. Plus récemment, les recherches ont été étendues à un autre groupe d’invertébrés, les polychètes tubicoles, pour prendre également en considération les adhésifs permanent. Les différents systèmes adhésifs étudiés diffèrent par leur mode de fonctionnement, leur structure, et les caractéristiques de leurs protéines adhésives. Ce sont donc des modèles biologiques complémentaires pour l’étude de la bioadhérence en milieu marin.
Quelques exemples de recherche sur ce domaine :
Sea star tenacity mediated by a protein that fragments, then aggregates
Les tissus collagéniques mutables
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Le tissu conjonctif des échinodermes présente la capacité unique de changer de propriétés mécaniques passives en réponse à des stimuli mécaniques et environnementaux. Ces tissus collagéniques sont dits mutables et sont largement distribués dans toutes les classes d’échinodermes. Présents dans différents organes, ils jouent un rôle dans diverses fonctions telles que les mécanismes d’autotomie, la locomotion, le maintien de position sans dépense d’énergie, la défense, etc. Tous les tissus collagéniques mutables (TCMs) ont en commun la capacité de subir, sous le contrôle du système nerveux, des changements de leurs propriétés mécaniques dans une échelle de temps physiologique.
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Les TCMs sont constitués de fibres de collagène présentant diverses tailles, conformations et organisations spatiales, chaque fibre étant constituée de nombreuses fibrilles en forme de fuseau. De plus, les TCMs renferment toujours des cellules d’un type particulier, appelées cellules juxtaligamentaires, qui sont caractérisées par la présence de nombreux granules denses aux électrons dans leur cytoplasme. Ces cellules sécrétrices contiendraient des molécules effectrices qui régulent les interactions entre les fibrilles de collagène. La nature temporaire de ces interactions serait à l’origine de la capacité des MCTs de passer de manière réversible d’un état souple à un état rigide.
Quelques exemples de recherche sur ce domaine :
Evaluation of the different forces brought into play during tube foot activities in sea stars
Mechanical adaptability of sea cucumber Cuvierian tubules involves a mutable collagenous tissue
Les productions épidermiques
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Chez les invertébrés marins, le tégument, qui comprend l’épiderme et ses productions (coquille, cuticule, soies et sécrétions variées), est l’organe qui protège le corps de l’animal des agressions externes. Chez beaucoup d’espèces, deux catégories de productions épidermiques peuvent être distinguées : la cuticule qui recouvre l’entièreté du corps et qui est intimement liée à l’épiderme, et les sécrétions muqueuses qui sont généralement plus spécifiques de certaines zones du corps et qui peuvent ou non rester à la surface de l’animal. Toutes ces productions épidermiques, cependant, semblent être constituées de protéines associées à des glucides sous forme de glycoprotéines, de protéoglycannes ou de complexes protéines-polysaccharides. Depuis les stades embryonnaires précoces jusqu’aux stades post-métamorphiques, elles sont impliquées dans une large gamme de fonctions essentielles comprenant la morphogénèse, la lubrification, la protection contre la prédation et les dommages physiques, le nettoyage, la locomotion et la capture de particule alimentaires.
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Quelques exemples de recherche sur ce domaine :