Les biominéraux auraient-ils inventé une nouvelle forme de cristallographie ?

Vendredi, 22 septembre 2017

Les biominéraux jouent un rôle important dans l’évolution des organismes ; pourtant, leur structure cristalline complexe reste mal connue. A travers l’exemple des sclérites d’Octocoraux, des équipes du Centre de Nanoscience de Marseille et du Centre Scientifique de Monaco montrent comment à travers leur structure mésocristalline1 les biominéraux combinent ordre et désordre pour réaliser des morphologies complexes, adaptées à des fonctions. La morphologie des sclérites serait le produit de forces parmi lesquelles l'embranchement cristallographique fractal (force interne) et le confinement par les tissus organiques (force externe) joueraient des rôles importants. Les biominéraux pourraient aussi servir de guide à l’étude d’autres superstructures cristallines comme les cristaux colloidaux2 ou les supracristaux3. Les travaux ont été publiés dans la revue Crystal Growth and Design.


A gauche : image au microscope électronique à balayage d’un sclérite de Sinularia polydactyla (2 mm de long). Au centre : une part importante du travail en biominéralogie consiste à trouver les échelles spatiales et les instruments adaptés pour caractériser l’ordre (morphologique, chimique ou cristallographique) dans les biominéraux. Ici on a identifié les domaines cristallins du sclérite et on les a positionnés par rapport aux anneaux de croissance. A droite : proposition d’un modèle cristallographique pour expliquer la structure du sclérite. Crédits : D. Vielzeuf et al.

Depuis 540 millions d’années, les biominéraux contribuent à l’adaptation des organismes à leurs environnements en remplissant des fonctions variées : support/transport (squelette), protection (coquille, carapace), camouflage, navigation magnétique, mastication, capteurs de gravité, vision (lentilles). Or, qui dit fonction dit morphologie adaptée (souvent adaptative). L’un des objectifs de la biominéralogie est de comprendre la façon dont les organismes fabriquent ces morphologies complexes. Les biominéraux montrent souvent une organisation cristalline hiérarchisée (les cristallites de taille inframicrométrique s’organisent en fibres cristallines, les fibres en domaines cristallins, les domaines en secteurs etc.) Mais on sait peu de choses sur la façon dont cette hiérarchisation se construit.

Dans un article publié à Crystal Growth and Design, des chercheurs du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CNRS, Université Aix-Marseille) et du Centre Scientifique de Monaco ont  étudié des sclérites d’Octocoraux (Sinularia polydactyla), principalement à l’aide de microscopie électronique à balayage et de diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD).  Les sclérites d’Octocoraux  (allant de quelques microns à 2-3 mm de long) sont des structures biominérales faites de calcite magnésienne ; leur taille et leur structure sont idéales pour étudier les premiers stades de la hiérarchisation cristalline.

"Microscope Électronique à Balayage Camscan Crystal Probe X500FE de Géosciences Montpellier (Instrument National INSU (CNRS) - région Languedoc Roussillon)"

A partir de l’exemple des sclérites de Sinularia, il est démontré que les règles strictes qui gouvernent la morphologie des cristaux (ici la calcite) ne s’appliquent pas aux assemblages de cristallites (≤ 100 nm). Les biominéraux tirent avantage de défauts cristallins (joints de grains, désorientation ordonnées, mésomaclage) pour réaliser des structures hiérarchisées. Un désordre local serait donc nécessaire pour arriver à des structures complexes hiérarchisées que l’on qualifie de mesocristallines. L’étude des sclérites de Sinularia démontre aussi que des superstructures cristallines ayant une forme de pyramides trigonales inversées (ou tripodes), forme transposée de la symétrie rhomboédrique de la calcite, permettent à la fois la formation de fronts de croissance aux contours complexes à l’interface organique/inorganique, et une orientation préférentielle des cristallites au front de croissance. Ces pyramides inversées joueraient un rôle dans la transition depuis des structures simples impliquant un ou deux tripodes, vers des structures plus complexes avec des tripodes cristallins disposés dans des configurations spatiales de plus en plus complexes. 


Figures : a et b : images à la loupe binoculaire et au microscope électronique à balayage d'un sclérite de Sinularia polydactyla. c : agrandissement de b. d : détail d'un tubercule. e : surface du sclérite. A cette échelle, des faces cristallines apparaissent.

Les superstructures cristallines obtenues non pas à partir d’atomes mais à partir de structures de plus grande taille (protéines pour aboutir à des cristaux de protéines, particules colloïdales formant des cristaux colloidaux, nanocristaux pour l’obtention de  supracristaux) sont des objets d’études en plein développement, dans des disciplines aussi différentes que la chimie, la physique, ou la biologie. Les biominéraux pourraient avoir été les pionniers dans l’élaboration de superstructures cristallines hiérarchisées ; leur étude ouvre des pistes pour mieux comprendre la formation d’autres superstructures cristallines.

Enfin, à l’interface organique/inorganique, nous suggérons que la morphologie de surface des sclérites résulterait de la régulation de la croissance mésocristalline et d’un confinement par les cellules ou vacuoles des tissus enveloppants. A ce titre, la morphologie des sclérites de Sinularia et d’autres biominéraux serait le produit de forces internes et externes parmi lesquelles l'ordre cristallographique et le confinement tissulaire seraient importants. 

Note(s): 

1-Les mésocristaux sont des structures cristallines tri-dimensionnelles faites de cristallites sub-micrométriques arrangés cristallographiquement.
2-Un cristal colloidal est un réseau ordonné de particules colloidales.
3-Un supracristal est un réseau ordonné de nanocristaux.

Source(s): 

 D. Vielzeuf, N. Floquet, J. Perrin, E. Tambutté, A. Ricolleau (2017), Crystallography of complex forms : the case of octocoral sclerites. Crystal Growth and Design, 7 août 2017, DOI: 10.1021/acs.cgd.7b00087

Contact(s):
  • Daniel Vielzeuf, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM)
    vielzeuf [at] cinam [dot] univ-mrs [dot] fr, 04 91 17 28 00
  • Nicole Floquet, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM)
    floquet [at] cinam [dot] univ-mrs [dot] fr, 04 91 17 28 00

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