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Des progrès dans la compréhension de la biominéralisation par une nouvelle microscopie X

Des progrès dans la compréhension de la biominéralisation par une nouvelle microscopie X

Ce que nous révèle la structure des biominéraux…

Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Ces procédés restent fascinants à étudier pour une meilleure compréhension du monde naturel qui nous entoure et de sa diversité, d'autant plus que ces recherches peuvent contribuer à l'élaboration de procédés biomimétiques pour la réalisation de nouveaux matériaux.

Une équipe interdisciplinaire française, à laquelle participe l'équipe du LIONS de l'UMR NIMBE, s'est intéressée à la bio-formation du carbonate de calcium, dont la structure complexe est encore largement incomprise. La texture complexe de matériaux naturels, observés auprès du synchrotron de l'ESRF par une méthode originale de diffraction de rayons X développée par l'Institut Frenel, est décrite et les résultats publiés dans la revue « Nature Materials ». Un point de départ pour comprendre l'élaboration de ce composé, et définir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire de façon synthétique ce type de biominéraux.

La compréhension en sciences des matériaux, paléoclimatologie et sciences de l’environnement des phénomènes de biominéralisation ouvrent des perspectives fascinantes et attirent nombre de chercheurs. Le carbonate de calcium en est une bonne illustration : les théories issues de la cristallisation classique ne peuvent expliquer la formation des structures biominérales calcaires extrêmement complexes, telles que celles observées chez l’oursin ou l’huître perlière par exemple. La formation de ce constituant majeur de la croute terrestre reste ainsi encore largement incomprise.

L’étude, menée par une équipe interdisciplinaire française et publiée dans la revue Nature Materials, exploite une nouvelle microscopie en rayons X permettant de révéler les spécificités structurales du biominéral. Elle conduit à l’identification de modèles probables de biominéralisation.

L’approche développée par cette équipe est motivée par une contradiction apparente : tandis que les espèces vivantes capables de cristalliser le carbonate de calcium produisent une remarquable diversité architecturale aux échelles macro et micrométriques, à l’échelle sub-micrométrique, la structure biominérale se caractérise au contraire, par l'observation constante d'une même structure granulaire et cristalline. Par conséquent, une description des caractéristiques cristallines à cette échelle  » mésométrique « , c'est-à-dire, à l’échelle de quelques granules (50-500 nm), est une clé pour construire des scénarios réalistes de biominéralisation. C’est également une difficulté majeure pour la microscopie, puisqu’aucune des approches expérimentales actuellement utilisées (électroniques, X ou visibles) n’est capable d’y accéder.

A droite : Image tridimensionnelle des propriétés cristallines d’un prisme cristallin constituant l’extérieur de la coquille d’une huître perlière.
(A) L’huître perlière et (B) sa structure prismatique en bord de coquille. (C) La zone sondée (en jaune) à l’intérieur d’un prisme.
Mise en évidence de domaines de rotations (D) et déformations (E) à l’intérieur du biominéral  » mono-cristallin « ,
Adapté de F. Mastropietro et al., Nature Materials (2017).

Grâce à la nouvelle approche de microscopie X en synchrotron, la ptychographie de Bragg, développée en 2011 par l’Institut Fresnel, il a été possible de révéler les détails tridimensionnels de l'organisation méso-cristalline des prismes de calcite, les unités minérales constituant l’extérieur de la coquille de l’huître perlière. Bien que ces prismes soient habituellement décrits comme des mono-cristaux « parfaits », il a été possible de mettre en évidence l'existence de grands domaines cristallins d’iso-orientations et d’iso-déformations, légèrement différents les uns des autres. Ces résultats entièrement originaux plaident en faveur de chemins de cristallisation non classiques, comme la fusion partielle d’un ensemble de nanoparticules primaires ou l’existence de précurseurs de type liquides.

Ce résultat a été obtenu dans cadre d’un programme de recherche à 4 ans financé par l’ANR (ANR-11-BS20-0005). Il constitue le point de départ d’un projet ERC Consolidator (#724881), qui a pour objectif d’établir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire des biominéraux synthétiques à la demande.

Références :

F. Mastropietro, P. Godard, M. Burghammer, C. Chevallard, J. Daillant, J. Duboisset, M. Allain, P. Guenoun, J. Nouet, V. Chamard, Revealing crystalline domains in a mollusc shell “single-crystalline” prism, Nature Materials (2017).

Communiqué CNRS/INSIS : « Une nouvelle microscopie éclaire la formation des biominéraux« , 1er septembre 2017.

Sur la technique, communiqués de presse CNRS antérieurs :

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Contacts :

Luc BARBIER