Quelles interactions sont à l’œuvre lorsque des objets identiques s’organisent en un mouvement collectif visuellement ordonné ? La même question se pose pour des situations très variées, depuis l’ordonnancement de molécules au sein d’un organisme vivant jusqu’aux mouvements de grands groupes d’animaux, comme des bancs de poissons.

Une expérience in vitro réalisée au National Institute of Information and Communications (NICT) à Kobe (Japon), analysée et modélisée en collaboration avec le CEA-Iramis, à Saclay, a montré comment des constituants élémentaires des cellules peuvent s'auto-organiser en de grands mouvements collectifs structurés.
Les observations sont effectuées au microscope optique, grâce à un marquage fluorescent standard.

La qualité de l’observation et son analyse font l’objet d’une publication dans la revue Nature du 22 mars.

Les chercheurs japonais ont d’abord préparé sur un substrat un tapis de « moteurs moléculaires », des protéines de type dynéine, sur lequel ils ont versé une solution contenant des microtubules, filaments élémentaires participant à l'architecture des cellules. En présence d’ATP (la molécule qui fournit l’énergie chimique), les têtes des dynéines agrippent et poussent collectivement les microtubules, qui se déplacent alors régulièrement dans un mouvement bien identifiable, essentiellement bi-dimensionnel.
Si la densité des dynéines « motrices » attachées et celle des microtubules accrochés est grande, on observe en une vingtaine de minutes, de manière très spectaculaire, la formation d'un réseau de vortex de très grande taille (400 μm de diamètre) par rapport à la longueur des microtubules (environ 10 μm).

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Fig. a) : Sur cette série d’images, les microtubules sont en mouvement. Les parties claires montrent les zones les plus denses en microtubules, qui forment progressivement des vortex (3 images en bas). Fig. b) : réseau de vortex. Le témoin, en bas à droite, est de 2 mm : l’ensemble est donc presque visible à l’œil nu.

L’analyse d'expériences supplémentaires ainsi qu'une modélisation semi-quantitative, ont permis de montrer que deux effets élémentaires suffisent à expliquer l'origine de cette organisation collective en réseau de vortex : la trajectoire continue et dérivable des microtubules isolés et leur alignement parallèle (« nématique ») lorsqu’ils se rencontrent.
C’est la 1ère fois que les chercheurs observent et expliquent aussi clairement ce processus, depuis les effets élémentaires jusqu’à l’assemblage ordonné.

La « physique de la matière active » est le champ émergent qui étudie ce type de situations, où des objets/corps se déplacent ensemble avec des règles locales d’interaction. Si on ne peut pas comparer les mouvements d’énergie dans une cellule avec les stimuli à l’œuvre dans des mouvements collectifs d’animaux, par exemple, en revanche leurs études respectives obéissent à des logiques similaires et convergent sur les méthodes d’analyse.

L’observation fine de l’organisation de la cellule doit encore progresser pour susciter des applications. Dans le domaine des biomatériaux, on pourrait imaginer « geler » ces mouvements pour ensuite fabriquer des fibres, par exemple.