Assembly and dynamics of cell-mimetic active systems

Assemblage et dynamique des systèmes actifs mimétiques cellulaires Cette thèse explore le comportement des vésicules unilamellaires géantes (GUV) séparées par phase sous l’influence de champs électriques alternatifs et la manière dont elles peuvent être utilisées comme un nouveau type de micro-nageurs compartimentés biomimétiques dotés d’une dynamique reconfigurable. Inspirés des microswimmers biologiques, les microswimmers artificiels visent à imiter le comportement dynamique et la fonctionnalité de leurs homologues biologiques. En général, les particules colloïdales Janus actives agissent comme des systèmes modèles capables de s’autopropulser lorsqu’elles sont poussées hors d’équilibre par un apport d’énergie tel que du carburant ou un mécanisme d’actionnement, en raison de leur composition asymétrique. Cependant, l’utilisation de particules colloïdaux solides limite la polyvalence et la fonctionnalité de ces micro-nageurs colloïdaux, malgré l’inclusion de matériaux réactifs et adaptatifs. Imiter la dynamique et le comportement de l’architecture membranaire des cellules est donc une étape logique vers le développement de micro-nageurs artificiels souples fonctionnels. Pour cela, nous utilisons des vésicules unilamellaires géantes (GUV) comme système modèle de membranes cellulaires en tant que nouveau système actif. Les systèmes lipidiques ternaires combinant des lipides à température de fusion élevée et basse avec du cholestérol (par exemple DOPC/DPPC/chol) forment des GUV qui présentent une séparation de phase spontanée à température ambiante, conduisant à une asymétrie latérale de la membrane vésiculaire qui rappelle les particules Janus. Cela permet l’actionnement des GUV sous un champ alternatif entre des électrodes parallèles et l’observation de leur autopropulsion via l’électro-osmose induite par charge (ICEO). La caractérisation du comportement des GUV à séparation de phase dans une gamme de conditions de champ alternatif permet d’identifier les conditions de champ idéales pour étudier le mouvement actif de ces GUV Janus. Ainsi, dans certaines conditions de terrain, les GUV asymétriques présentent un mouvement actif similaire à celui de leurs analogues colloïdaux. Il est intéressant de noter que, dans ce cas, la fluidité des membranes des GUV permet l’émergence d’une dynamique reconfigurable à température ambiante, conduisant à un mouvement de run and tumble dû à l’émergence d’états transitoires d’asymétrie-symétrie, qui ne sont pas observés dans les particules colloïdales solides. Les mesures de la fluidité de la membrane montrent une dépendance distincte à la concentration en cholestérol, indiquant ainsi la dépendance de la dynamique des GUV au pourcentage de en cholestérol. De plus, la dépendance de la séparation de phase à la température fournit un déclencheur pour accéder à différents régimes de mouvement des GUV actionnés par des champs alternatifs : roulement, run and tumble, et sous-diffusif. Enfin, ce travail montre des perspectives d’amélioration de ce système en vue d’accroître le contrôle ou d’ajouter des fonctionnalités à ces nouveaux micro-nageurs souples inspirés des cellules. Il aborde les défis actuels à l’interface entre la matière active et la conception de cellules synthétiques. Dans l’ensemble, cette thèse montre comment des architectures simples inspirées des cellules et actionnées par des champs externes peuvent présenter une variété de comportements et reproduire des dynamiques complexes similaires à la motilité cellulaire. Ainsi, ces systèmes vésiculaires offrent une voie alternative passionnante vers le développement de microswimmers fonctionnels de nouvelle génération pour des applications futures liées aux cellules artificielles motiles ou aux microdispositifs mous.