De minuscules créatures, connues sous le nom de saphirs de mer, se trouvent dans les océans, et utilisent en nageant une sorte d’astuce magique : on les voit pendant une seconde avec de splendides nuances de bleu, de violet ou de vert, et des reflets irisés. L’instant d’après ils sont invisibles (les nuances de bleu, au moins, deviennent complètement transparentes). Comment obtiennent-ils ces couleurs brillantes, et qu’est-ce qui leur permet de ‘disparaître’ ? Une nouvelle recherche menée à l’Institut Weizmann a permis de résoudre le mystère de ces créatures aux magnifiques couleurs, pouvant devenir invisibles, connues dans le monde scientifique sous le nom de sapphirina. Les résultats obtenus, récemment publiés dans le Journal of the American Chemical Society, pourraient mener au développement de nouvelles technologies optiques.

Le sapphirina, qui appartient à une sous-catégorie de crustacés, les copépodes, vit aussi bien en eau douce qu’en eau salée. Les copépodes sont à peine visibles à l’œil humain, leur longueur ne dépassant pas quelques millimètres. C’est le mâle du sapphirina qui présente ces magnifiques couleurs iridescentes, alors que la femelle est transparente. Les scientifiques sont d’avis que cette astuce magique extraordinaire pourrait servir au sapphirina pour échapper aux prédateurs, et cependant il continue à déployer ses magnifiques couleurs lorsqu’une femelle de son espèce (ou peut-être un autre mâle) se trouve dans le voisinage.

Les scientifiques participant à cette recherche sont : la professeure Lia Addadi, le professeur Steve Weiner, ainsi que Dvir Gur et Maria Pierantoni, du département de Biologie structurale de l’Institut Weizmann, le professeur Dan Oron et Ben Leshem du département de Systèmes complexes, et la docteure Viviana Farstey, de l’Interuniversity Institute for Marine Sciences, situé à Eilat. Ensemble ils ont étudié la structure d’une couche de cristal dans le dos de sapphirinas mâles de différentes espèces. Ils ont d’abord mesuré la réflectance qui détermine la couleur, puis en utilisant cryo-SEM, une technique de microscopie, ils ont observé l’organisation des cristaux avec la matière cellulaire qui les tient en place.

Ces couleurs sont dues à l’iridescence, résultat de la réflexion de lumière par des structures périodiques (à répétition régulière). Ces réflecteurs à couches multiples, ayant une structure que les scientifiques connaissent sous le nom de cristaux photoniques, sont composés de cristaux de guanine, fins et transparents. La guanine est le plus souvent connue comme l’une des bases de l’acide nucléique qui se trouve dans l’ADN.

Le groupe de recherche a découvert que les plaquettes de guanine du sapphirina sont placées en rangées classifiées avec une précision incroyable. D’où chaque espèce a-t-elle sa couleur particulière ? Leur analyse a montré que le facteur essentiel qui détermine si un animal sera jaune, bleu ou violet est l’espace entre les plaquettes, contrôlé par la fine couche de matière cellulaire qui les sépare.

Les chercheurs ont aussi montré comment cette structure complexe des plaquettes permet à quelques sapphirinas de devenir invisibles : lorsque certaines espèces de sapphirina mâle tournent le dos à la lumière dans un angle de 45°, tout en faisant une manoeuvre en roulant sur eux-mêmes sans cesser de nager, la longueur d’onde de la lumière réfléchie est déplacée hors de la bande de lumière visible vers l’ultraviolet invisible. Par contre, la lumière provenant d’une direction orthogonale produit la magnifique couleur bleue. Dans l’océan, où la lumière arrive du haut, la minuscule créature peut avoir une influence sur sa visibilité uniquement en dirigeant son gouvernail.

L’espace entre les plaquettes agit comme une sorte de filtre pour la longueur d’onde de la lumière, et par conséquent, agit aussi sur la couleur de l’organisme : plus les plaquettes sont proches les unes des autres, plus les longueur d’ondes sont courtes, et donc plus la lumière réfléchie est bleue. Selon les chercheurs, cette stratégie complexe pour manipuler la lumière pourrait être utilisée pour élaborer des structures cristallines photoniques artificielles – des structures à l’échelle nanométrique capables de manipuler des flots de photons. On peut penser à de nombreuses utilisations potentielles, parmi lesquelles des revêtements réfléchissants adaptatifs ou modifiables, des miroirs optiques et des écrans optiques.

La recherche de la professeure Lia Addadi est financée par : Jeanne and Joseph Nissim Foundation for Life Sciences Research. La professeure Lia Addadi est titulaire de la Doroty and Patrick Gorman Professorial Chair.

La recherche du professeur Dan Oron est financée par : Crown Photonic Center ; Deloro Institute for Advanced Research in Space and Optics ; Willner Family Leadership Institute for the Weizmann Institute of Science ; Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust ; Wolfson Family Charitable Trust.

La recherche du professeur Stephen Weiner est financée par : Helen and Martin Kimmel Center for Archaeological Science, qu’il dirige ; Exilarch’s Foundation ; European Research Council ; et la succession de George et Beatrice F. Schwartzman. Le professeur Weiner est titulaire de la chaire Dr. Walter and Dr. Trude Borchardt de Biologie structurale.

Une écriture réversible grâce à la lumière

Le message, c’est le medium»: cette phrase emblématique du philosophe Marshall McLuhan pourrait être appliquée à une nouvelle méthode créée par le docteur Rafal Klajn avec son groupe de recherche du département de Chimie organique de l’Institut Weizmann. Cette méthode est utilisée pour provoquer l’autoassemblage de nanoparticules. Au lieu de mettre l’accent sur les particules, cette technique le met sur le milieu dans lequel elles sont suspendues. Cette forme d’assemblage pourrait, entre autres, être utilisée pour inscrire des informations de manière réversible.

Cette approche est une alternative élégante aux méthodes actuelles exigeant que les nanoparticules soient revêtues de molécules sensibles à la lumière. Lorsque la lumière est dirigée sur les nanoparticules, leur état change. Par contre, la recherche de ce groupe, récemment publiée dans la revue Nature Chemistry, montre qu’il serait plus commode de mettre de simples nanoparticules, sans revêtement, dans un milieu sensible à la lumière. Il en résulterait un système plus efficace et plus durable que ceux qui sont actuellement utilisés. Les applications possibles vont d’un papier d’écriture, qu’on pourra réutiliser, à la décontamination de l’eau et à la livraison contrôlée de médicaments ou d’autres substances.

Le milieu, dans ce cas, est composé de petites molécules photocommutables (ou photosensibles) appelées spiropyranes. Dans la version de la molécule photosensible utilisée par Klajn et son groupe, l’absorption de la lumière fait passer la molécule à une forme plus acide. Les nanoparticules réagissent alors au changement de l’acidité dans leur environnement, et c’est cette réaction qui fait que dans l’obscurité les particules se groupent, et à la lumière, elles se dispersent. Cela signifie que toutes les nanoparticules qui répondent à l’acide – un groupe beaucoup plus grand que celui qui réagit à la lumière – peuvent alors potentiellement être manipulées pour s’auto-assembler par la suite.

En utilisant la lumière (moyen privilégié pour produire l’auto-assemblage de nanoparticules) pour contrôler la réaction, on peut déterminer avec précision quand et où les nanoparticules s’assembleront. Du fait que les nanoparticules ont tendance à avoir des propriétés différentes lorsqu’elles flottent librement ou lorsqu’elles sont groupées, les possibilités de créer de nouvelles applications sont presque illimitées.

Le docteur Klajn fait remarquer que ces molécules ont une longue histoire à l’Institut Weizmann. Il explique : « Deux scientifiques de l’Institut, Ernst Fischer et Yehuda Hirshberg, ont été les premiers à mettre en évidence, dès 1952, la sensibilité des spiropyranes à la lumière. Plus tard, dans les années quatre-vingts, le professeur Valeri Krongauz a utilisé ces molécules pour développer différents matériaux ayant des revêtements photosensibles pour les lunettes. Et maintenant, 63 ans après la première démonstration de ces propriétés réactives, nous utilisons cette simple molécule pour un usage totalement différent. »

Les avantages de cette approche basée sur le milieu sont évidents. Par exemple, les particules semblent ne pas se dégrader avec le temps, problème difficile à résoudre dans le cas des nanoparticules recouvertes. Le docteur Klajn explique : « Nous avons procédé à des expériences une centaine de fois en écrivant et réécrivant à l’aide de nanoparticules se trouvant dans un gel (ce que nous appelons stockage d’information réversible) sans qu’il y ait aucune détérioration du système. On voit donc qu’il est possible d’utiliser ce système un nombre de fois illimité. Bien que nous ayons utilisé des nanoparticules d’or pour ces expériences, théoriquement on pourrait même utiliser du sable, aussi longtemps qu’il reste sensible aux changements de l’acidité. »

En plus du papier d’écriture réutilisable, le docteur Klajn suggère qu’à l’avenir des applications possibles de cette méthode pourront être l’élimination des polluants de l’eau (car certaines nanoparticules peuvent s’agréger autour des polluants, pour les libérer par la suite) ainsi que la livraison contrôlée de petites quantités de matière, comme par exemple de médicaments, qui pourront être réalisées avec la lumière.

La recherche du docteur Klajn est financée par : Abramson Family Center for Young Scientists ; Rothschild Ceasarea Foundation ; Mel and Joice EisenbergKeefer Found for New Sientists; la succession d’Olga Klein Astrachan ; et le European Research Council.

Comment se fait la croissance du microbiote intestinal

l est de plus en plus évident que les milliers de bactéries différentes qui vivent dans notre tube digestif – notre microbiote – ont une énorme influence sur notre santé. Mais les détails de l’effet du microbiote ne sont pas encore bien connus. Une recherche effectuée à l’Institut Weizmann, récemment publiée dans la revue Science, propose de mener ces recherches sous un nouvel angle, en évaluant la rapidité de la croissance des différentes bactéries. Cette approche a déjà montré de curieuses relations entre la rapidité de la croissance des bactéries et des maladies telles que le diabète de type 2 et la maladie inflammatoire de l’intestin. Cette nouvelle méthode de calcul pourrait jeter une lumière sur un processus dynamique tel que la croissance à partir d’un « instantané » statique d’un seul échantillon, et pourrait donc avoir des implications aussi bien sur les diagnostics que sur de nouvelles directions pour les recherches.

Deux doctorants du laboratoire du professeur Eran Segal, du département d’Informatique et de mathématiques appliquées, Tal Korem et David Zeevi, ont mené cette recherche avec un autre doctorant, Jotham Suez, du laboratoire du docteur Eran Elinav, dans le département d’Immunologie, et avec la docteure Adina Weinberger, associée de recherche dans le laboratoire du professeur Segal. La recherche a commencé par les techniques avancées de séquençage d’un génome, utilisées dans de nombreuses recherches actuelles sur les microbiotes, qui font le séquençage de l’ensemble de l’ADN bactérien dans un échantillon. A partir des petites séquences, ils construisent une image des différents types de bactéries et de leur relative abondance. De plus, le groupe de l’Institut Weizmann a compris que cette technique de séquençage contient aussi un autre type d’information.

Le professeur Segal explique : « Les bactéries des échantillons font en fait ce que les bactéries font le mieux, c’est-àdire des copies de leurs génomes, afin de pouvoir se diviser. Il s’ensuit que la plupart des cellules bactériennes contiennent plus d’un génome, par exemple un génome et demi ou un génome trois quarts. » Du fait que la plupart des souches bactériennes ont des codes programmés de ‘départ’ et ‘d’arrivée’, le groupe a pu identifier le ‘point de départ’ comme étant la séquence brève la plus dominante dans l’échantillon. La séquence la moins dominante, à l’autre extrémité du génome, est l’ADN copié en dernier. Les chercheurs ont découvert que l’analyse des quantités relatives de l’ADN de départ et de l’ADN d’arrivée pouvait être traduite en vitesse de croissance pour chaque souche de bactérie.

Le groupe a examiné cette formule de manière expérimentale, d’abord sous forme de cultures de souches uniques pour lesquelles le taux de croissance pouvait être réglé et observé, puis en de nombreux systèmes de modèles animaux, et pour finir en séquences d’ADN de microbiote humain, avec toute leur complexité.

Leur méthode a réussi mieux qu’ils ne s’y attendaient : en effet, il s’avère que les taux estimés de la croissance bactérienne sont à peu près identiques aux taux de croissance observés. Le docteur Elinav explique : « Nous pouvons finalement comprendre comment les dynamiques de notre microbiote sont associés avec la tendance à la maladie. Le taux de croissance bactérienne révèle sur notre santé des choses qu’aucune autre méthode d’analyse ne permet de découvrir. »

Dans leur examen des données bactériennes humaines, par exemple, le groupe a trouvé que certains changements dans le taux de croissance bactérienne sont spécifiquement associés au diabète de type 2, et d’autres sont liés à la maladie inflammatoire de l’intestin. Ces corrélations n’ont pas été observées dans les recherches sur les populations statiques de microbiotes. Ces méthodes pourront donc être utilisées à l’avenir comme outil de diagnostic pour dépister le plus tôt possible une maladie ou une infection pathogène, ou pour établir les effets de traitements utilisant les probiotiques ou les antibiotiques. Les chercheurs ont aussi l’espoir que cette nouvelle compréhension du microbiote stimulera d’autres recherches sur les rapports de l’écosystème complexe et dynamique qui se trouve dans notre corps avec notre santé.

Ont aussi participé à cette recherche : Tali Avnit-Sagi, Maya Pompan-Lotan, Nadav Cohen et Elad Matot, du laboratoire du professeur Segal ; Christoph A. Thaiss et la docteure Meirav Pevsner-Fischer, du laboratoire du docteur Elinav ; le docteur Ghil Jona et le professeur Alon Hermelin, de l’Institut Weizmann ; la docteure Alexandra Sirota-Madi et le professeur Ramnik Xavier, du Harvard Medical School et du Broad Institute ; et le professeur Rotem Sorek, de l’Institut Weizmann.