Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont réussi une percée majeure dans la production de xanthommatin, le pigment naturel responsable des capacités de camouflage spectaculaires des céphalopodes. Cette méthode innovante, qui utilise des bactéries modifiées, permet de produire jusqu’à 1 000 fois plus de matière que les techniques traditionnelles, ouvrant la voie à de nombreuses applications industrielles et cosmétiques.
Le secret du camouflage des céphalopodes enfin accessible
Le xanthommatin fascine depuis longtemps les scientifiques et même les militaires pour ses propriétés exceptionnelles de changement de couleur. Ce pigment naturel permet aux pieuvres, calmars et seiches de modifier la couleur de leur peau pour se fondre dans leur environnement, une démonstration remarquable de mimétisme rendue possible par des processus biologiques complexes. Malgré son potentiel considérable, ce pigment est resté difficile à étudier et à produire en laboratoire, un obstacle que les chercheurs viennent enfin de surmonter. Publiée dans Nature Biotechnology, cette étude marque une avancée décisive dans la compréhension et l’exploitation des capacités de camouflage de la nature.
Au-delà des céphalopodes, le xanthommatin se retrouve également chez les insectes du groupe des arthropodes, contribuant aux teintes orange et jaune brillantes des ailes des papillons monarques ainsi qu’aux rouges éclatants observés dans le corps des libellules et les yeux des mouches. Bradley Moore, auteur principal de l’étude et chimiste marin à la Scripps Institution of Oceanography et à l’UC San Diego Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences, souligne : « Ce pigment naturel est ce qui donne à une pieuvre ou à un calmar sa capacité de camouflage – un super-pouvoir fantastique – et notre réussite pour faire progresser la production de ce matériau n’est que la partie émergée de l’iceberg. » La nouvelle approche produit entre un à trois grammes par litre, alors que les méthodes traditionnelles ne permettaient d’obtenir qu’environ cinq milligrammes par litre dans le meilleur des cas.
Une technique révolutionnaire de bio-ingénierie
L’équipe de chercheurs a développé une méthode baptisée « growth coupled biosynthesis » (biosynthèse couplée à la croissance), qui représente une rupture majeure par rapport aux approches biotechnologiques classiques. Habituellement, lorsque les chercheurs tentent d’amener un microbe à produire un composé étranger, cela crée un fardeau métabolique important. Sans manipulation génétique significative, le microbe résiste au détournement de ses ressources essentielles pour produire quelque chose de non familier. L’innovation clé réside dans le fait d’avoir intimement lié la production du pigment à la survie de la bactérie qui le fabrique.
Leah Bushin, auteure principale de l’étude et actuellement membre du corps enseignant à l’Université de Stanford, explique : « Essentiellement, nous avons trouvé un moyen de tromper les bactéries pour qu’elles fabriquent davantage du matériau dont nous avions besoin. » Pour y parvenir, l’équipe est partie d’une cellule génétiquement modifiée et « malade », qui ne pouvait survivre que si elle produisait à la fois le pigment désiré et un second composé chimique appelé acide formique. Pour chaque molécule de pigment générée, la cellule produit également une molécule d’acide formique, qui à son tour fournit du carburant pour la croissance de la cellule, créant ainsi une boucle auto-entretenue qui stimule la production de pigment. « Nous avons fait en sorte que l’activité via cette voie, de fabrication du composé d’intérêt, soit absolument essentielle à la vie. Si l’organisme ne fabrique pas de xanthommatin, il ne se développera pas », précise Bushin.
Des applications prometteuses pour l’industrie et le quotidien
Pour améliorer encore la capacité des cellules à produire le pigment, l’équipe a utilisé des robots pour faire évoluer et optimiser les microbes modifiés à travers deux campagnes d’évolution adaptative en laboratoire à haut débit. Ces campagnes ont été développées par le laboratoire d’Adam Feist, co-auteur de l’étude et professeur au département de bio-ingénierie de l’UC San Diego Jacobs School of Engineering. L’équipe a également appliqué des outils bio-informatiques personnalisés pour identifier les mutations génétiques clés qui ont augmenté l’efficacité et permis aux bactéries de fabriquer le pigment directement à partir d’une source unique de nutriments.
Cette méthode biotechnologique entièrement inspirée de la nature et non invasive ouvre de nombreuses perspectives d’applications. Selon les chercheurs, le département américain de la Défense et des entreprises de cosmétiques ont manifesté un intérêt actif. Les collaborateurs souhaitent explorer les capacités naturelles de camouflage du matériau, tandis que les entreprises de soins de la peau s’intéressent à son utilisation dans les écrans solaires naturels. D’autres industries envisagent des utilisations potentielles allant des peintures domestiques changeant de couleur aux capteurs environnementaux, en passant par les dispositifs photoélectroniques, les revêtements thermiques, les colorants et les protections UV.
Une révolution pour la production de biomatériaux durables
Au-delà de la production de xanthommatin, cette découverte revêt une importance particulière car la technique développée pourrait être appliquée à de nombreux autres produits chimiques, aidant potentiellement les industries à s’éloigner des matériaux à base de combustibles fossiles au profit d’alternatives inspirées de la nature. Adam Feist souligne que « ce projet donne un aperçu d’un avenir où la biologie permet la production durable de composés et de matériaux précieux grâce à l’automatisation avancée, l’intégration de données et la conception guidée par ordinateur. » Le passage des étapes de planification à l’expérimentation réelle en laboratoire a pris plusieurs années de travail dévoué, mais une fois le plan mis en œuvre, les résultats ont été presque immédiats.
Moore anticipe que cette nouvelle méthodologie transformera la façon dont les produits biochimiques sont fabriqués : « Nous avons vraiment bouleversé la façon dont les gens pensent à l’ingénierie d’une cellule. Notre approche technologique innovante a suscité un énorme bond dans la capacité de production. Cette nouvelle méthode résout un défi d’approvisionnement et pourrait maintenant rendre ce biomatériau beaucoup plus largement disponible. » Regardant vers l’avenir, Moore conclut : « Les humains voudront repenser la façon dont nous fabriquons des matériaux pour soutenir notre mode de vie synthétique de 8 milliards de personnes sur Terre… nous avons débloqué une nouvelle voie prometteuse pour concevoir des matériaux inspirés de la nature qui sont meilleurs pour les gens et la planète. »
Cette avancée remarquable illustre parfaitement comment la bio-ingénierie moderne, en s’inspirant des stratégies développées par la nature. La production à grande échelle de xanthommatin représente non seulement une victoire scientifique majeure pour comprendre les mécanismes biologiques du camouflage animal, mais aussi une promesse concrète pour développer des alternatives durables aux matériaux synthétiques polluants. Les applications potentielles, des écrans solaires naturels aux revêtements intelligents, pourraient bientôt transformer notre quotidien.
