Les innovations biomimétiques inspirées des climats froids

Maison
3/05/2021

Les climats les plus froids de la Terre regorgent d’innovations remarquables que les humains sont en train d’apprendre à reproduire. Saviez-vous que certains poissons disposent de protéines d’antigel dans leur sang ou encore que des micro-organismes marins produisent des enzymes nettoyantes ?

Article publié sur le site de National Geograph

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Pourquoi les poissons ne gèlent-ils pas en Arctique ? C’est le genre de question qu’un enfant pourrait poser. Et jusqu’à très récemment, nous n’avions pas vraiment de réponse. La nature est pleine de mystères, autant d’énigmes pour les scientifiques que d’inspiration pour les franchises de films de science-fiction.

Mais au cours des dernières décennies, les humains ont non seulement identifié les mécanismes derrière ces capacités mais ils ont aussi appris à les reproduire. Un tout nouveau domaine de recherche et de développement est né, combinant science, technologie et ingénierie : le biomimétisme.

Mais revenons à ces poissons. En Arctique, les températures de l’eau de surface en hiver sont légèrement supérieures à -1,8°C, ce qui correspond au point de congélation de l’eau salée. Cependant le sang des poissons gèle à environ -0,9°C, ce qui, à première vue, ne ferait pas de l’Arctique un habitat idéal. À moins d’avoir de l’antigel dans le sang.

Dans les années 1960, le biologiste moléculaire Arthur DeVries a découvert une protéine dans le sang des poissons qui empêche la formation de particules de glace, abaissant ainsi efficacement la température à laquelle leur sang gèle. Ce que l’on n’avait pas compris à l’époque, c’était la façon dont la protéine fonctionnait réellement.

Ce n’est que 40 ans plus tard que les scientifiques ont identifié le processus moléculaire derrière celle-ci : la protéine ralentit la formation de liaisons qui se produit habituellement rapidement dans les molécules d’eau, les empêchant ainsi de former des cristaux de glace. C’est une astuce assez géniale, et bien plus efficace que le type d’antigel couramment utilisé sur les pare-brise des véhicules, qui doit activement se lier aux molécules d’eau pour fonctionner.

Aujourd’hui, les protéines antigel (antifreeze proteins, AFP) sont développées dans une gamme de catégories de produits et de services afin de : conserver la crème glacée sans qu’elle ne soit trop dure et sans cristaux, préserver les cellules et les tissus pour la recherche et les traitements biomédicaux, et même fabriquer du béton super-durable résistant aux dommages causés par le gel et le dégel.

Les ours polaires ont une méthode très différente pour résister au froid, tout aussi remarquable étant donné qu’ils passent parfois des jours à nager dans les eaux arctiques. Ils ont trois principaux modes d’adaptation qui leur permettent de réguler leur température corporelle : une couche épaisse de graisse sous-cutanée, une peau noire qui absorbe les rayons infrarouges et enfin, une sous-couche de poils et fourrure dense et isolante dont les poils creux réfléchissent la lumière. C’est cette dernière caractéristique que les chercheurs ont utilisée comme source d’inspiration pour le type de matériaux de pointe qui font évoluer notre exploration de l’espace.

Les ours polaires sont des mammifères singuliers car leurs poils sont creux, une caractéristique qui explique également leur apparence blanche. La structure de chaque fibre a évolué pour optimiser la rétention de chaleur et la résistance à l’eau tout en restant extrêmement légère et flexible, toutes les qualités souhaitables dans le type de matériaux ultralégers appelés aérogels.

L’an dernier, une équipe de scientifiques de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a développé un aérogel à base de carbone qui imite la structure creuse de ces poils. En tissant ensemble de microscopiques tubes en carbone, ils ont pu former un petit bloc de matériau plus léger que la plupart des autres aérogels, tout en offrant une meilleure résistance à la chaleur et à l’eau que les poils d’ours polaires. Une fois que les chercheurs sauront répliquer leur processus de production à l’échelle industrielle, le nouveau matériau pourrait être largement utilisé dans l’aérospatiale et les industries du bâtiment.

Et n’oublions pas le lien entre l’eau froide des algues et la lessive. Les détergents biologiques utilisent des enzymes pour améliorer le lavage depuis les années 1960, et les scientifiques travaillent continuellement pour améliorer leurs performances, en recherchant à nouveau l’inspiration dans la nature. Pour Dash, cela signifiait se pencher sur un microbe minuscule qui vit sur les algues…

Le micro-organisme en question, une bactérie, utilise les algues comme source de nourriture et refuge en s’accrochant à leur surface. Lorsqu’il est prêt à changer d'hôte, il libère une enzyme pour se « décoller » et se laisser porter par le courant océanique. Les chercheurs de l’Université de Newcastle ont réalisé que l’enzyme pouvait être développée pour être utilisée dans les produits de consommation.

Cela ne veut pas dire que les scientifiques récoltent des algues pour fabriquer des détergents : l’enzyme phosphodiestérase naturel a fourni un prototype à partir duquel les chercheurs, dirigés par Neil Lant, chercheur pour Dash, et en collaboration avec Novozymes, partenaire de biotechnologie, ont pu concevoir une protéine qui améliorerait considérablement les performances des détergents biologiques Dash. Ce processus impliquait d’abord l’identification d’une enzyme similaire très efficace inspirée de la nature, puis l’optimisation de sa séquence d’acides aminés pour obtenir l’équilibre requis entre stabilité et performance dans le détergent liquide.

Le produit final, Purezyme, est une enzyme brevetée très efficace pour éliminer les salissures qui collent aux textiles, même à l’eau froide, tout en se décomposant sans danger pendant le traitement des eaux usées pour revenir dans le cycle de l’eau.

La biomimétique nous rappelle l’ingéniosité de l’évolution. Il ne s’agit pas seulement des propriétés miraculeuses qui existent dans la nature, mais aussi du fait que l’évolution a donné naissance à une espèce, nous les humains, qui peut agir comme son agent, en utilisant cette ingéniosité dans de nouvelles situations : des véhicules capables de voyager dans l’espace aux capsules que nous mettons dans nos machines à laver pour nettoyer nos vêtements.

Et comme la nature est la source de toute évolution, y compris la nôtre, il est urgent de la protéger. Il y a beaucoup de petites choses que nous pouvons faire pour changer la donne. Par exemple, en Europe, en moyenne, jusqu’à 60 % des émissions de gaz à effet de serre liées aux lavages en machine proviennent du chauffage de l’eau de nos lave-linges, plus que de l’emballage ou des composants des lessives. Diminuer la température de quelques degrés seulement peut réduire considérablement le gaspillage d’énergie.