I. La physique des membranes fluides





I.1. Les vésicules artificielles.

I.2. La fluidité et l'incompressibilité de la membrane.

I.3. L'élasticité de la membrane.

I.1. Les vésicules artificielles.


De la structure complexe de la membrane cellulaire, les vésicules retiennent seulement ce qui en constitue l'armature: ce sont des "cellules modèles" dont la paroi (la membrane) est constituée uniquement de deux couches accolées de lipides membranaires, des molécules longues de 15 à 30 Ångströms (Å, ou dix millionième de millimètre) que l'on rencontre également dans toutes les cellules vivantes (voir figure 1). Différent lipides (naturels ou artificiels) sont employés suivant l'utilisation projetée des liposomes (inocuité vis-à-vis de l'organisme, recyclabilité, coût de production, etc). Mais la formule chimique des lipides n'a presqu'aucune incidence sur la nature des comportements morphologiques des vésicules que nous présentons.


Figure 1


Figure 1. La taille des vésicule peut aller de quelques dizièmes à quelques dizaines de micromètres (µm). Il s'agit d'enveloppes flasques dont la membrane, d'une épaisseur de quelques dizaines d'Ångströms (Å), est constituée de deux couches accolées de phospholipides. Ces molécules sont de caractère amphiphile: leurs deux extrémités ayant des affinités opposées pour l'eau, elles adoptent une structure de bicouche, dans laquelle leur "tête polaire" est au contact de l'eau, alors que les "queues lipidiques" en restent isolées derrière l'écran des têtes. La molécule représentée ici est la diphytanoyl-phosphatitylcholine, un phospholipide que l'on trouve dans le jaune d'¤uf.


De façon assez surprenante, les vésicules se forment spontanément lorsqu'on essaie de diluer des lipides membranaires dans l'eau (les "phospholipides", dans les expériences que nous évoquerons, constituent la famille la plus abondante dans le vivant). Ceci est dû à la nature bipolaire des molécules phospholipidiques: elles comportent une "tête" assez large qui aime être hydratée (elle est hydrophile) à laquelle se raccrochent une ou deux "queues" possédant l'affinité inverse (elles sont hydrophobes). Une façon de satisfaire ces goûts antagonistes est de former une double couche où les queues sont prises en sandwich et isolées de l'eau par les têtes. La membrane de 50 Å (environ) d'épaisseur ainsi formée peut alors se refermer sur elle-même, pour former une "vésicule", sorte de petit sac flasque de quelques micromètres (µm ou millième de millimètre) de rayon en moyenne, isolant ainsi un petit volume d'eau du milieu aqueux environnant.


Observées avec un simple microscope, les vésicules sont presque invisibles. La membrane de 50 Å d'épaisseur absorbe tellement peu de lumière, qu'il est impossible de la distinguer du fond lumineux. En revanche, à la traversée de la membrane, les ondes lumineuses sont légèrement retardées par rapport à celles qui ne rencontrent que de l'eau sur leur trajectoire. Ce retard (ou déphasage) est d'autant plus important que la quantité de matière est importante. De manière évidente, un rayon lumineux rencontre plus de matière lorsqu'il traverse une vésicule de façon tangentielle (il est déphasé par plusieurs épaisseurs de molécules), plutôt que perpendiculairement (auquel cas il ne rencontre que deux épaisseurs de molécules). Le dispositif de contraste de phase inventé par Zernicke rend le microscope sensible uniquement à ce déphasage, et permet donc de très bien voir le contour des vésicules: quelques contours de la même vésicule observée sous différents angles (dans la solution aqueuse, elle est toujours animée d'un mouvement erratique de translation et de rotation), permettent alors de reconstruire sa forme dans l'espace.



I.2. La fluidité et l'incompressibilité de la membrane.


Une propriété essentielle de la bicouche, qui la distingue des matériaux usuels et lui confère une capacité de métamorphose, a été mise en évidence il y a une vingtaine d'années seulement: la membrane est fluide au-dessus d'une certaine température (qui est inférieure à 37 ° 2 C pour le mélange dont sont constituées nos cellules !). Ceci signifie que chaque molécule de la membrane se déplace continuellement au sein de sa monocouche, changeant à chaque instant de voisines, comme les molécules d'un fluide. On a pu ainsi estimer que le temps moyen pour qu'une molécule fasse le tour d'une vésicule de quelques micromètres de diamètre est de l'ordre d'une seconde [3].


Figure 2


Figure 2. La mécanique des vésicules. Les vésicules sont constituées d'une membrane fluide et extrêmement mince, mais très résistante. Le fait que la membrane soit fluide, c'est-à-dire que ses molécules constitutives soient libres de diffuser en son sein, à pour conséquence que le cisaillement (a) ne nécessite aucun travail. Il est par contre extrêmement difficile d'étirer la membrane (b): c'est ce que montre l'expérience réalisée par Evan Evans et son équipe, présentée à droite de la figure. Une vésicule fluctuante est aspirée à l'aide d'une micropipette, ce qui a pour effet de diminuer la partie de la membrane exposée à l'eau. En augmentant la dépression dans la micropipette, on peut ainsi progressivement tendre la membrane. Dans le premier stade de l'expérience, l'aire totale de la vésicule, ainsi que son volume, ne varient pas. Il faut exercer une dépression de l'ordre de 1 mm de mercure pour parvenir à augmenter l'aire de la vésicule, c'est-à-dire à dilater la membrane ! Une vésicule flottant librement en solution n'étant jamais soumis à de telles contraintes, les seules déformations pertinentes pour l'étude des vésicules sont donc les efforts de flexion (c), qui jouent un rôle essentiel dans le cas de ces matériaux, les plus souples qui soient.


Malgré leur extrême minceur et leur fluidité, les vésicules sont très résistantes (on peut les observer pendant plusieurs jours sans noter le moindre changement). La mesure de la résistance des vésicules à l'étirement (sa compressibilité) a été effectuée dans les années 80 par l'équipe d'Evan Evans de l'Université de Colombie Britannique à Vancouver [4], à l'aide d'une méthode très élégante (voir figure 2). Pour y parvenir, il faut trouver un moyen de tendre la membrane, qui est flasque à l'origine, et pouvoir ensuite contrôler sa tension. Evans et ses collaborateurs ont utilisé une micropipette dont le diamètre intérieur n'est que de quelques micromètres, avec laquelle ils peuvent aspirer partiellement une vésicule d'un diamètre de l'ordre d'une vingtaine de micromètres. Au fur et à mesure qu'on augmente la dépression dans la micropipette (donc la surpression dans la vésicule), la membrane pénètre dans la micropipette, et l'ensemble de la vésicule perd son caractère flasque. Elle finit par se tendre, jusqu'au point où son aire totale augmente. C'est la mesure de cette dilatation en fonction de la tension exercée sur la membrane, qui permet de déduire la résistance des vésicules à l'étirement.


Cette résistance est très grande, et en pratique, une vésicule flottant librement dans l'eau n'est jamais soumise à des tensions suffisantes pour être étirée: on dit que la membrane est incompressible. Son aire reste donc constante. Cette propriété d'aire fixée est très utile pour comprendre les formes des vésicules. Le volume de la vésicule, qui est le volume d'eau qu'elle enclôt, reste également fixe, aucun échange n'ayant lieu, en moyenne, à travers la membrane.



I.3. L'élasticité de la membrane.


Les deux propriétés précédentes de la membrane, sa fluidité et son incompressibilité, réduisent les modes de déformation possible des vésicules. Leur analyse a été faite indépendamment par trois physiciens, les Américains P.B. Canham et E. Evans, et l'Allemand W. Helfrich au début des années 70 [5] (voir figure 2).


Comme nous l'avons vu, la membrane ne risque pas de s'étirer sous l'effet des forces minimes qu'elle peut subir lorsqu'elle flotte librement. Il est également inutile de tenir compte des efforts qui pourraient résulter de contraintes tangentielles (le cisaillement) puisque les molécules glissent naturellement les unes le long des autres comme dans un fluide. Les seules déformations susceptibles de jouer un rôle dans le cas des vésicules sont donc les déformations de courbure.


Bien qu'elle soit fluide et extrêmement mince, la membrane réagit à un effort de flexion comme le ferait n'importe quel matériau élastique. Plus on l'écarte de sa position d'équilibre plane, plus le travail à fournir est important. Ce travail, qui détermine l'énergie élastique de la membrane dans son état final, est proportionnel au carré de la courbure moyenne de la membrane. Pour une surface comme la sphère, en chaque point, la courbure moyenne est l'inverse du rayon. Pour une surface ressemblant à une selle, la courbure moyenne dépend du point où l'on se trouve. Au centre de la selle notamment, la surface est courbée dans deux directions opposées: il y a deux courbures de signe opposé, dont la somme, la courbure moyenne, peut alors être nulle (voir figure 6).


L'énergie élastique de courbure est donc directement reliée à la forme géométrique de la vésicule. Elle dépend aussi de sa composition, de même que la raideur d'un ressort dépend de l'alliage qui le compose. De nombreuses équipes de par le monde ont mesuré cette élasticité pour toutes sortes de composition, par des techniques diverses: les membranes lipidiques sont plus souples que n'importe quel matériau fabriqué. Cette extrême souplesse de la membrane se traduit par des ondulations de la surface des vésicules, tout-à-fait analogues à celles observées sur les globules rouges: le choc incessant des molécules d'eau sur la membrane suffit à exciter ces ondulations, un peu comme des gouttes de pluies font résonner la membrane d'un tambour (à la différence que cette dernière est tendue !) [6].


page réalisée par Xavier Michalet dernière révision: 16 septembre 1997