Certaines bactéries fabriquent dans leurs cellules de minuscules cristaux de magnétite, qui se comportent comme des nanoaimants et leur permettent de s’orienter dans le champ magnétique terrestre.
Une équipe franco-japonaise montre que ces nanocristaux acquièrent une propriété optique inattendue, l’activité chiroptique, sous l’influence de leur environnement biologique. Mais seulement tant qu’ils restent dans la bactérie ! Sortis de la cellule, ils perdent cette propriété ; on peut la leur redonner en fixant à leur surface un acide aminé lui-même chiral.
Publiée dans Nano Letters, cette étude apporte la première preuve directe d’une activité chiroptique induite par le vivant dans des nanoparticules de magnétite.
C’est quoi, la chiralité ?
Un objet est chiral lorsqu’il existe sous deux formes en miroir, impossibles à superposer : comme une coquille d’escargot enroulée à droite ou à gauche. Les sucres et les acides aminés peuvent également exister sous deux formes en miroir, désignées par les lettres D et L. Lorsqu’un matériau interagit différemment avec la lumière polarisée à droite ou à gauche, on parle d’activité chiroptique.
Magnétisme + chiralité : une combinaison rare
Réunir magnétisme et chiralité dans un même matériau ouvre des perspectives en spintronique et en catalyse sélective (fabriquer préférentiellement l’une des deux formes en miroir d’une molécule, un enjeu notamment en pharmacie).
La chiralité est bien documentée pour les nanoparticules d’or, beaucoup moins pour les oxydes. Quant aux nanoparticules d’oxydes magnétiques présentant à la fois des propriétés magnétiques et chiroptiques, elles restent rares et très peu étudiées.
Le vivant a choisi son camp
Nos protéines sont faites d’acides aminés presque exclusivement de forme L, l’ADN de sucres presque tous de forme D. Cette préférence, l’homochiralité biologique, est une caractéristique fondamentale du vivant. Mais cette chiralité peut-elle aussi se transmettre aux minéraux que les organismes fabriquent ?
Et si on laissait faire une bactérie ?
D’où l’idée de confier la fabrication des nanoaimants à une bactérie plutôt que de chercher à les produire uniquement par synthèse chimique. Magnetospirillum gryphiswaldense, souche MSR-1, une bactérie magnétotactique, fabrique dans son cytoplasme des cristaux de magnétite (Fe3O4) d’environ 37 nanomètres, chacun enfermé dans une membrane : le magnétosome. Alignés en chaîne, ils forment un barreau aimanté qui oriente la cellule dans le champ magnétique terrestre.
Cette bactérie est, par nature, un environnement chiral : peut-elle transmettre cette chiralité aux cristaux de fer qu’elle façonne ?
Comment savoir si le signal vient du fer… ou de son environnement ?
Trois échantillons ont été analysés par dichroïsme circulaire naturel (NCD), sensible à la chiralité, et magnétique (MCD), sensible au magnétisme :
- la bactérie sauvage intacte, avec sa chaîne de magnétosomes ;
- un mutant (ΔmamAB) incapable de fabriquer des magnétosomes, un témoin biologique ;
- les magnétosomes extraits après destruction des cellules.
Le résultat clé : l’activité chiroptique disparaît hors de la cellule
Le mutant dépourvu de magnétosomes présente un signal NCD négatif à 233 nm, caractéristique de transitions généralement associées aux protéines, tandis que son signal MCD reste très faible. Les magnétosomes extraits ne présentent plus de signal chiroptique détectable : ils restent magnétiques, mais ont perdu leur activité chiroptique.
La bactérie intacte présente en plus un pic NCD positif à 362 nm, absent chez le mutant, coïncidant avec une transition du fer repérée en MCD sur les nanoparticules isolées. Ce signal, faible mais reproductible (facteur d’asymétrie de 3,4 × 10⁻⁵), montre que l’environnement biologique intact induit une activité chiroptique associée à la magnétite.
Peut-on redonner leur activité chiroptique aux nanoparticules ?
Pour tenter de reproduire cet effet hors de la bactérie, les chercheurs ont fixé à la surface des nanoparticules extraites de l’acide aspartique pur, en forme D puis L. Les nanoparticules redeviennent optiquement actives, avec des spectres en miroir : la signature d’un effet dicté par la chiralité du ligand. Le signal de la forme D coïncide avec celui de la bactérie vivante, suggérant que de petits acides aminés chiraux, présents autour des magnétosomes, pourraient s’y adsorber et induire l’asymétrie observée
Vers des biofabriques de nanoaimants chiraux
Cette découverte ouvre une voie pour concevoir des nanomatériaux associant magnétisme et chiralité : pour la première fois, les chercheurs montrent qu’un environnement biologique peut induire une activité chiroptique dans des nanoparticules de magnétite. Ils démontrent également qu’il est possible de reproduire cet effet hors de la cellule en modifiant leur surface avec un acide aminé chiral.
À terme, les bactéries magnétotactiques pourraient devenir des biofabriques de nanomatériaux magnéto-chiraux, utiles en spintronique, catalyse énantiosélective et détection.
Reste à identifier le facteur biologique responsable de cette activité chiroptique. Mais une première étape est franchie : l’environnement biologique peut conférer une activité chiroptique aux minéraux que le vivant fabrique.
Référence : Mendes, Matheus S. L.; Lefevre, Christopher T.; Benzerara, Karim; Nlate, Sylvain; Oda, Reiko; Hillard, Elizabeth A.; Pouget, Emilie « Chiral by Nature: Chiroptical Activity in Fe3O4 Magnetic Nanoparticles from Bacterial Biomineralization », Nano Letters, 2026. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02286.
Collaboration : CBMN, ICMCB (Bordeaux), BIAM, IMPMC (Sorbonne Université), WPI-AIMR (Tohoku University).
Contact : Christopher.LEFEVRE@cea.fr