Découverte du mouvement de nage unique des spermatozoïdes des rayons démontrée avec un robot bio-inspiré

Découverte du mouvement de nage unique des spermatozoïdes et démonstration avec un robot bio-inspiré

Le robot bio-inspiré se compose de trois parties comme le spermatozoïde : une tête en spirale en fil de fer rigide, une queue hélicoïdale en fil de coton doux et deux moteurs comme pièce intermédiaire pour l’alimentation en énergie. Crédit : Université de la ville de Hong Kong

Il est généralement admis que les spermatozoïdes « nagent » en battant ou en faisant tourner leur queue molle. Cependant, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert que les spermatozoïdes des rayons se déplacent en faisant tourner à la fois la queue et la tête. L’équipe a en outre étudié le modèle de mouvement et l’a démontré avec un robot. Leur étude a élargi les connaissances sur le mouvement des micro-organismes et a inspiré la conception d’ingénierie robotique.

La recherche est codirigée par le Dr Shen Yajing, professeur agrégé du Département de génie biomédical (BME) de CityU, et le Dr Shi Jiahai, professeur adjoint du Département des sciences biomédicales (BMS). Leurs découvertes ont été publiées dans la revue scientifique Actes de l’Académie nationale des sciences des États-Unis d’Amérique (PNAS), intitulé « Propulsion auto-adaptative et efficace des spermatozoïdes de Ray à différentes viscosités permise par des doubles hélices hétérogènes. »

Découverte surprenante

Leurs recherches ont révélé un mode de mouvement nouveau et particulier des spermatozoïdes des rayons, qu’ils appellent le « modèle à double hélice hétérogène (HDH) ». « C’était en fait une découverte accidentelle », a déclaré le Dr Shi, qui s’est concentré sur le développement de différentes biothérapies.

Tout a commencé avec une autre recherche de l’équipe consistant à développer des techniques d’insémination artificielle pour l’élevage de poissons cartilagineux, notamment des requins et des raies, dont le squelette est entièrement ou en grande partie composé de cartilage. « Les poissons cartilagineux peuvent être utilisés comme » usine « pour produire des anticorps contre les maladies, y compris le COVID-19. Nous voulions donc développer des techniques d’insémination artificielle pour les cultiver pour une aquaculture de grande valeur », a-t-il déclaré.

Au cours de ce processus, l’équipe a été grandement surprise lorsqu’elle a observé pour la première fois la structure unique et le mouvement de nage des spermatozoïdes des rayons au microscope. Ils ont découvert que la tête du spermatozoïde de raie est dans une longue structure hélicoïdale plutôt que ronde, et qu’elle tourne avec la queue lors de la nage.

L’équipe a étudié plus avant son mécanisme de propulsion, en particulier le rôle exact de la tête en mouvement. Ils ont découvert que les spermatozoïdes des rayons sont constitués de sections hélicoïdales hétérogènes : une tête en spirale rigide et une queue molle, qui sont reliées par une « pièce intermédiaire » qui fournit de l’énergie pour le mouvement de rotation. La tête du spermatozoïde de rayon n’est pas seulement un « conteneur » du matériel génétique, mais facilite également la propulsion avec la queue molle.







Le robot bio-inspiré se déplace habilement dans un environnement liquide. Crédit : Panbing Wang et al./DOI : 10.1073/pnas.2024329118

Haute efficacité énergétique de la propulsion HDH

Pour mieux comprendre le mode de mouvement, l’équipe a analysé une grande quantité de données de natation et observé la structure interne des spermatozoïdes à l’échelle nanométrique. Étant donné que la tête et la queue du spermatozoïde du rayon tournaient dans la même direction avec diverses vitesses de rotation et amplitudes lors de la nage, l’équipe a nommé cela la propulsion hétérogène à double hélice (HDH).

Selon leur analyse statistique, la tête a contribué à environ 31% de la force de propulsion totale, qui est la première propulsion de tête enregistrée dans tous les spermatozoïdes connus. En raison de la contribution de la tête, l’efficacité de mouvement du spermatozoïde des rayons est supérieure à celle d’autres espèces comme le sterlet et le taureau, qui ne sont entraînés que par la queue.

« Un tel mode de propulsion non traditionnel fournit non seulement aux spermatozoïdes de rayons une grande adaptabilité à un large éventail d’environnements visqueux, mais conduit également à une capacité de mouvement et à une efficacité supérieures », a expliqué le Dr Shen, dont la recherche se concentre sur la robotique ainsi que sur la micro/ nano manipulation et contrôle.

Haute adaptabilité environnementale

L’adaptabilité environnementale est cruciale dans la sélection naturelle. La tête et la queue des spermatozoïdes des rayons peuvent ajuster leur mouvement et leur contribution à la propulsion en fonction de la viscosité de l’environnement et nager à différentes vitesses pour le mouvement d’avancement. Par conséquent, les spermatozoïdes des rayons peuvent se déplacer dans divers environnements avec une large gamme de viscosités, démontrant une grande adaptabilité environnementale.







Les spermatozoïdes des rayons se déplacent de différentes manières, par exemple en reculant, en changeant de direction, puis en avançant. Crédit : Panbing Wang et al. / DOI : 10.1073/pnas.2024329118

L’équipe a également découvert que les spermatozoïdes de raie ont une capacité de nage bidirectionnelle unique, ce qui signifie qu’ils peuvent nager non seulement vers l’avant mais aussi vers l’arrière. Une telle capacité offre des avantages aux spermatozoïdes dans la nature, surtout lorsqu’ils rencontrent des obstacles. Et d’autres spermatozoïdes avec une tête sphérique ou en forme de tige ne peuvent pas réaliser un mouvement bidirectionnel.

Grâce au modèle HDH, la tête en spirale des spermatozoïdes de rayon a une capacité de rotation active. Comme la tête et la queue contribuent à la propulsion, l’angle entre elles produira une force latérale sur le corps, permettant au spermatozoïde de tourner, montrant une grande flexibilité dans son mouvement.

Un robot bio-inspiré démontre le modèle HDH

Le modèle HDH particulier a montré des caractéristiques étendues de motilité et d’efficacité et a inspiré l’équipe dans la conception de microrobots. Le robot bio-inspiré, également doté d’une tête en spirale rigide et d’une queue souple, a démontré des supériorités similaires par rapport aux robots conventionnels en termes d’adaptabilité et d’efficacité sous la même puissance absorbée. Il pouvait se déplacer habilement dans un environnement avec du liquide, même lorsque la viscosité changeait.

De telles capacités peuvent fournir des informations pour la conception de robots nageurs pour des tâches d’ingénierie difficiles et des applications biomédicales à l’intérieur du corps humain avec des environnements fluidiques complexes, comme à l’intérieur des vaisseaux sanguins.

« Nous pensions que la compréhension de cette propulsion unique révolutionnerait la connaissance du mouvement des micro-organismes, ce qui faciliterait la compréhension de la fertilisation naturelle et fournirait une inspiration pour la conception de robots bio-inspirés dans des conditions visqueuses », a conclu le Dr Shen.


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Plus d’information:
Panbing Wang et al, Propulsion auto-adaptative et efficace des spermatozoïdes de Ray à différentes viscosités permise par des doubles hélices hétérogènes, Actes de l’Académie nationale des sciences (2021). DOI : 10.1073/pnas.2024329118

Fourni par l’Université de la ville de Hong Kong

Citation: Découverte du mouvement de nage unique des spermatozoïdes des rayons démontrée avec un robot bio-inspiré (2021, 10 juin) récupéré le 10 juin 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-06-discovery-ray-sperms-unique-motion. html

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