CID 54 Méthodes expérimentales, concepts et instrumentation en sciences de la matière et en ingénierie pour le vivant

V. Systèmes biomimétiques

Il est important de définir la biomimétique dans un contexte où des approches dites bio-inspirées ou encore bioniques prennent aussi, de nos jours, toute leur importance. La bionique et la biomimétique concernaient à l'origine la conception de systèmes artificiels reproduisant des fonctions et caractéristiques issues de systèmes naturels tels que des matériaux, des mécanismes cellulaires, des processus de synthèse moléculaire, des traitements neuronaux, des comportements animaux, des écosystèmes... Si la définition est toujours valable pour la biomimétique, la bionique se situe maintenant à l'interface entre des systèmes artificiels (implants, micro-électrodes...) et les tissus biologiques excitables pour le pilotage, par exemple, de prothèses robotisées et même d'exosquelettes.

Toutes ces approches bio-inspirées ont finalement un double objectif permettant de faire d'une pierre deux coups, à savoir : une meilleure compréhension du vivant et le développement de nouvelles technologies, souvent non-intuitives, issues de données ou de modèles obtenus à partir d'expériences menées en biologie. D'ailleurs, c'est bien la force d'une approche bio-inspirée d'associer l'étude de mécanismes naturels, source inépuisable d'idées et d'innovations, en prenant appui sur la compréhension du vivant.

Ces approches biomimétiques se déclinent de l'échelle de la molécule unique à celle de l'organisme entier. Quelques exemples en sont donnés ci-dessous.

A. Échelle moléculaire

À l'échelle subcellulaire, les pores nucléaires constituent l'unique porte d'entrée et de sortie du noyau des cellules et servent de voie de passage sélective aux acides nucléiques et aux protéines échangées entre le noyau et le cytoplasme. Grâce aux interactions avec des protéines spécifiques, ils sont responsables du « contrôle qualité » des ARN messagers exportés et donc des protéines produites. Des nanopores biomimétiques ont été développés et associés à des membranes afin d'étudier la dynamique de leur fonctionnement. La compréhension du fonctionnement de ces pores modélisés permettra d'aborder l'étude de leurs rôles et ainsi de mieux caractériser l'étiologie des pathologies associées à une mauvaise élimination d'ARN messagers non conformes.

À l'échelle moléculaire, les interactions chimiques entre organismes, en particulier les actions synergiques de mélanges de substances offrent des perspectives pour contrer les phénomènes de résistance aux substances pharmacologiques d'intérêt pour l'homme. Il est donc nécessaire 1) d'établir une chimiothèque, notamment à partir des organismes les moins bien caractérisés (milieux extrêmes, groupes peu étudiés) et 2) d'aborder l'étude des synergies possibles entre les différentes molécules identifiées.

À la frontière entre l'échelle moléculaire et les biomatériaux, la compréhension et la capacité à reproduire et contrôler des processus tel que la biominéralisation chez les animaux invertébrés produira des pistes novatrices dans notre capacité à comprendre et résoudre les problèmes de santé liés à la dégradation des tissus osseux.

B. Échelle cellulaire

La cellule est un système biologique déjà complexe qu'un grand nombre d'équipes cherchent à comprendre grâce à des approches biomimétiques. Un liposome artificiel rempli d'actine et de composants cytosoliques minimaux est un système biomimétique de cortex cellulaire. L'addition de moteurs moléculaires permet de développer des systèmes biomimétiques qui reproduisent le mouvement cellulaire et d'étudier en conditions contrôlées les mécanismes physiques et biochimiques qui le gouvernent. Ces connaissances pourraient être utilisées à terme pour actionner des robots micrométriques. La bio-ingénierie est un domaine également basé sur la biomimétique. L'ingénierie tissulaire, par exemple, représente une alternative à la chirurgie pour le remplacement de tissus endommagés. Elle implique l'association de biomatériaux susceptibles d'assurer les fonctions mécaniques du tissu artificiel avec des cellules capables d'en assurer les fonctions biologiques spécifiques. Ceci suppose la connaissance des mécanismes d'interaction des cellules avec leur environnement extracellulaire et leur reproduction au sein du tissu artificiel. De nombreux travaux s'attachent par exemple au contrôle des propriétés chimiques, topographiques et mécaniques des biomatériaux afin de favoriser leur interaction avec les cellules et même de les stimuler.

C. Biomimétisme neuronal et tissulaire

Au niveau neuronal, de nombreuses études en électrophysiologie ont donné naissance à la réalisation de puces électroniques dites neuromorphiques reproduisant sous forme de circuits micro-électroniques des traitements dits neuronaux. Par exemple, une meilleure compréhension de la vision des vertébrés et des invertébrés a permis le développement de technologies neuromorphiques remarquables telles que des caméras rapides basées sur des évènements (spikes) et inspirées de la rétine de l'homme ou encore des capteurs optiques reproduisant fidèlement la vision panoramique de la mouche drosophile pour des applications robotiques.

D Comportement/Locomotion

À l'échelle du comportement, la locomotion, qu'elle soit sous-marine (nage), terrestre (bipède, quadripède...) ou aérienne (vol battu), a donné lieu à de nombreuses études de modélisation associées souvent à des réalisations robotiques remarquables telles que des robots poisson ou des robots humanoïdes. Mais le mouvement ne peut se dissocier de la perception qui, elle aussi, a donné lieu à de nombreux modèles mathématiques issus notamment de travaux de neuro-éthologie tels que l'étude de la navigation chez l'abeille ou encore de la stabilisation de la tête chez la guêpe. La modélisation du sens du toucher chez l'homme, de l'audition chez la chauve-souris, de l'olfaction chez le papillon de nuit mais aussi du sens électrique chez le poisson sont autant d'exemples se situant à l'interface entre sciences du vivant et sciences de l'ingénieur. L'étude de la locomotion et de la perception sont certainement deux exemples emblématiques d'une transdisciplinarité impliquant plusieurs instituts du CNRS (INSB, INS2I, INSIS) où une confrontation multidisciplinaire allant des neurosciences à la robotique en passant par la mécanique, l'automatique, l'informatique et le traitement du signal permettra de répondre à des questions scientifiques fondamentales très souvent source d'innovation à long terme.

E. Écosystèmes

À l'opposé des approches in natura mentionnées en chapitre 3.3, les écotrons s'attachent à recréer un écosystème dans son intégralité. La possibilité de travailler en conditions contrôlées à l'échelle d'un écosystème, ou de plusieurs en même temps, offre de nombreux avantages dont celui de pouvoir faire varier un ou plusieurs paramètres physiques et/ou chimiques et de suivre les répercussions de ces changements sur les paramètres abiotiques (et pour une moindre mesure pour l'instant, biotiques) de l'écosystème considéré. Le développement et l'utilisation de ces systèmes sont à la pointe de l'instrumentation et jouent un rôle majeur dans l'évaluation des risques de modifications des écosystèmes naturels en réponse à des modifications anthropiques (pollution, organismes génétiquement modifiés, perturbations physiques de l'habitat, etc.) et/ou liées aux modifications attendues des conditions environnementales dans un contexte de changements climatiques globaux (réchauffement, sécheresse, augmentation des rayonnements ultra-violets, etc.).