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Des progrès dans la compréhension de la biominéralisation grâce à une nouvelle microscopie

Chez les organismes vivants, les processus de biominéralisation régulent la croissance des tissus minéralisés, tels que les dents, les os, les coquilles… Les perspectives fascinantes qu’ouvrent leurs compréhensions en sciences des matériaux, paléoclimatologie et sciences de l’environnement attirent nombre de chercheurs. L’exemple du carbonate de calcium en est l’un des plus frappants : alors qu’il est évident que les théories issues de la cristallisation classique ne peuvent expliquer la formation des structures biominérales calcaires extrêmement complexes, telles que celles observées chez l’oursin ou l’huitre perlière par exemple, la formation de ce constituant majeur de la croute terrestre est encore largement incomprise.
L’étude, menée par une équipe interdisciplinaire française et publiée dans la revue Nature Materials, exploite une nouvelle microscopie en rayons X permettant de révéler les spécificités structurales du biominéral. Elle conduit à l’identification de modèles probables de biominéralisation.

Figure : Image tridimensionnelle des propriétés cristallines d’un prisme cristallin constituant la coquille d’une huitre perlière. (A) L’huitre perlière et (B) sa structure prismatique en bord de coquille. (C) La zone sondée (en jaune) à l’intérieur d’un prisme. Mise en évidence de domaines de rotations (D) et déformations (E) à l’intérieur du biominéral « mono-cristallin », Adaptée de F. Mastropietro et al., Nature Materials (2017).

L’approche développée par cette équipe est motivée par une contradiction apparente : tandis que les espèces vivantes capables de cristalliser le carbonate de calcium produisent une remarquable diversité architecturale aux échelles macro et micrométriques, au contraire, à l’échelle sub-micrométrique, la structure biominérale se caractérise par l’observation constante d’une structure granulaire et cristalline. Par conséquent, une description des caractéristiques cristallines à cette échelle « mésométrique », c’est-à-dire, à l’échelle de quelques granules (50-500 nm), est la clé pour construire des scénarios réalistes de biominéralisation. C’est également une difficulté majeure pour la microscopie, puisqu’aucune des approches expérimentales actuellement utilisées (électroniques, X ou visibles) n’est capable d’y accéder.

Grâce à la nouvelle approche de microscopie X en synchrotron, la ptychographie de Bragg, développée en 2011 par l’Institut Fresnel, il a été possible de révéler les détails tridimensionnels de l’organisation méso-cristalline des prismes de calcite, les unités minérales constituant la coquille de l’huître perlière. Bien que ces prismes soient habituellement décrits comme des mono-cristaux « parfaits », il a été possible de mettre en évidence l’existence de grands domaines cristallins d’iso-orientations et d’iso-déformations, légèrement différents les uns des autres. Ces résultats entièrement originaux plaident en faveur de chemins de cristallisation non classiques, comme la fusion partielle d’un ensemble de nanoparticules primaires ou l’existence de précurseurs de type liquides.

Ce résultat a été obtenu dans cadre d’un programme de recherche à 4 ans financé par l’ANR (ANR-11-BS20-0005). Il constitue le point de départ d’un projet ERC Consolidator (#724881), qui a pour objectif d’établir les conditions physiques, chimiques et biologiques nécessaires pour produire des biominéraux synthétiques à la demande.

Références : F. Mastropietro, P. Godard, M. Burghammer, C. Chevallard, J. Daillant, J. Duboisset, M. Allain, P. Guenoun, J. Nouet, V. Chamard, Revealing crystalline domains in a mollusc shell “single-crystalline” prism, Nature Materials (Numéro DOI 10.1038/nmat4937).

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Lien vers des communiqués de presse CNRS précédents :
- www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/cristal-ptychographie.htm
- www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2016/12/nanostructures-cristallines.htm
- www.cnrs.fr/insis/international-europe/erc/consolidator/virginie-chamard.htm

Partenaires :
Institut Fresnel (CNRS Marseille), NIMBE (CEA-CNRS Gif-Sur-Yvette), GEOPS (Université Paris Saclay), Synchrotron Soleil (Gif-Sur-Yvette), ESRF (Grenoble).

Contacts Chercheurs :

Virginie Chamard, Equipe Comix (Institut Fresnel)
Tel 04 91 28 28 37 – virginie.chamard chez fresnel.fr

Corinne Chevallard, NIMBE (CEA-CNRS)
Tel 01 69 08 52 23 – corinne.chavallard chez cea.fr