Le mucus des profondeurs
Des scientifiques de l'ETH étudient les sécrétions extraordinaires de la blennie. Au cours des trois prochaines années, les chercheurs veulent découvrir comment cet hydrogel naturel pourrait être utilisé par l'homme.
Cet animal a tout fait correctement. Il existe depuis 300 millions d'années, a survécu aux dinosaures, à la grande chute des météorites, aux phases de réchauffement, aux glaciations - et il peuple toujours les profondeurs des mers, où il vit de charognes ou chasse des proies. Mais la blennie de l'Atlantique n'a rien d'attrayant. Myxine glutinosa,La plupart des gens le trouveraient probablement dégo?tant. Pourtant, un groupe de chercheurs de l'ETH du laboratoire de technologie des procédés alimentaires du professeur Erich Windhab a pris beaucoup de plaisir à l'observer. Ou plus précisément : à son mucus.
Le mucus est l'une des choses les plus extraordinaires que la nature ait produites. Dès qu'une blennie est saisie par un ennemi potentiel, elle expulse une sécrétion qui se gélifie en une fraction de seconde, même dans l'eau froide. Cette sécrétion est capable de retenir d'énormes quantités d'eau, formant ainsi un mucus transparent, visqueux et collant. Les poissons qui s'en prennent à l'anguille s'étouffent presque avec le mucus, ce qui permet à l'anguille de s'échapper de la bouche de son agresseur.
Un documentaire télévisé comme étincelle
Ce mucus va maintenant faire l'objet d'un projet de recherche de l'ETH sur lequel le doctorant Lukas B?ni, l'étudiant en master Lukas B?cker et le postdoctorant Patrick Rühs vont travailler au cours des trois prochaines années sous la direction du Senior Scientist Simon Kuster du groupe du professeur Peter Fischer.
Kuster a découvert les créatures marines visqueuses il y a deux ans. Il a vu un documentaire de la BBC sur les blennies de l'Atlantique (en anglais hagfish) - et a été fasciné par ces animaux. "En tant que chimiste et chercheur en matériaux, je me suis immédiatement demandé de quoi était composé le mucus et comment le matériau devait être constitué pour pouvoir fixer une quantité d'eau aussi énorme", explique Kuster.
Des recherches préliminaires ont montré aux chercheurs de l'ETH que la formation du mucus et son expulsion n'étaient que peu étudiées et peu comprises. On sait que l'hydrogel naturel du mucus a deux composants principaux : un filament protéique d'environ 15 à 30 centimètres de long et des "mucines" qui relient les filaments entre eux et rendent le mucus "visqueux". Ce filament a des propriétés similaires à celles des fils d'araignée. Il est extrêmement résistant à la déchirure et élastique - mais seulement lorsqu'il est humidifié, explique Simon Kuster.
Ces composants principaux sont produits dans des glandes spéciales. Deux types de cellules y sont intégrés, qui produisent soit la protéine filamenteuse, soit la mucine. En cas de danger, l'anguille expulse ces cellules par saccades via des pores. Les membranes plasmiques se déchirent alors et les deux composants, à savoir les protéines et la mucine, sont libérés. Elles interagissent et forment la matrice qui "absorbe" et retient l'eau.
Le mucilage est composé de presque 100 pour cent d'eau et ne contient que tout juste 0,004 pour cent de "gélifiant". Ou formulé autrement : Le rapport pondéral entre le "gélifiant" et l'eau est 26'000 fois plus élevé - plus de 200 fois plus que la gélatine animale traditionnelle. La gélification ne nécessite que très peu d'énergie.
Les chercheurs de l'ETH ont été particulièrement fascinés par le fait que la protéine filamenteuse se présente dans les cellules glandulaires sous la forme d'une pelote de 150 micromètres de diamètre, alors que dans le mucus, elle se présente sous la forme d'un filament étiré de plusieurs centimètres de long. On ne sait encore que très peu de choses sur la manière dont se déroule cet enroulement. "Mais l'enroulement à l'intérieur de la cellule est hautement spécialisé et très inhabituel", souligne B?ni.
La science dans le garage
Pour préparer leur projet, les scientifiques de l'ETH se sont rendus plusieurs fois en Norvège. Après de longues recherches, ils ont trouvé un partenaire de projet à ?lesund, qui avait la possibilité de capturer des blennies de l'Atlantique dans la nature et de les élever dans un aquarium. "Avant de collaborer avec l'aquarium, nous avons effectué les premiers essais préliminaires sur le mucus dans un garage, en emportant une partie de leur infrastructure de laboratoire de l'ETH en Norvège", a expliqué Fischer.
En revanche, il n'est pas judicieux de transporter les animaux à Zurich. "Le transport les stresserait tellement qu'ils sécrèteraient du mucus pendant tout ce temps et finiraient par s'étouffer avec", explique Lukas B?cker. Dans leur laboratoire de Zurich, ils n'auraient pas non plus la possibilité de maintenir les blennies dans des conditions conformes à leur espèce - dans de l'eau de mer fra?che de 10 g et dans l'obscurité complète.
Super-hydrogel d'après un modèle naturel
L'objectif du projet est de modifier le gel produit par la blennie de manière à ce qu'il puisse retenir l'eau durablement et pourrait ainsi devenir un "super-hydrogel". Mais pour cela, les chercheurs doivent d'abord percer le secret de l'énorme capacité d'absorption d'eau du mucus.
Gr?ce à leurs recherches préliminaires, les scientifiques de l'ETH ont trouvé un moyen de stabiliser les sécrétions glandulaires de manière à pouvoir les transporter jusqu'au laboratoire de Zurich pour leurs études. Ils ne savent toutefois pas quels facteurs permettent cette stabilisation. S'ils résolvent cette énigme, il serait envisageable d'appliquer une méthode de stabilisation similaire à un produit d'imitation biomimétique - un objectif lointain du projet. Une reproduction exacte des sécrétions est toutefois plut?t irréaliste : "Nous ne pouvons pas reproduire le mucus de ce poisson en laboratoire, le système naturel est trop complexe pour cela", souligne le doctorant de l'ETH. Mais développer un gel basé sur le principe du mucus naturel est tout à fait possible.
Les hydrogels sont déjà présents dans de nombreuses applications, des couches en papier aux pansements adhésifs en passant par les systèmes d'irrigation pour l'agriculture. Les hydrogels sont également largement utilisés dans l'industrie alimentaire. D'autres scientifiques, qui avaient déjà étudié le mucus de ce poisson préhistorique, ont exprimé l'intention d'utiliser les fibres pour la fabrication de textiles. Les chercheurs de l'ETH ne peuvent pas encore estimer si ce projet, financé par une subvention de recherche de l'ETH en tant que projet à haut risque, débouchera sur une application pratique. Cependant, ils ont déjà pu publier qu'ils pouvaient stabiliser le mucilage éphémère qui s'effondre sous l'effet d'un stress mécanique et qu'ils pouvaient obtenir des fonctionnalisations supplémentaires en l'incorporant à d'autres hydrogels ou à des réseaux de particules.
Référence bibliographique
B?cker L, Rühs PA, B?ni L, Fischer P, Kuster S. Fiber-Enforced Hydrogels : Hagfish Slime Stabilized with Biopolymers including κ-Carrageenan. ACS Biomaterials Science & Engineering, publié en ligne Nov 10 2015. DOI : page externe10.1021/acsbiomaterials.5b00404
B?hni L, Rühs PA, Windhab EJ, Fischer P, Kuster S. Gelation of Soy Milk with Hagfish Exudate Creates a Flocculated and Fibrous Emulsion- and Particle Gel. PlosOne, published January 25, 2016, DOI : page externe10.1371/journal.pone.0147022