Quoi de commun entre un étourneau, une sardine ou une bactérie ? Quand ils se déplacent en groupe, ils forment un collectif doté de propriétés remarquables, du fait d'une interaction simple de chaque individu avec ses proches voisins.
On observe ainsi que des bactéries en solution, mobiles et de forme allongée, s'organisent spontanément selon une structure de cristal liquide, avec un ordre d'orientation (nématique) et une faible dispersion de leurs vitesses de déplacement. Du fait de leurs formes et de leurs interactions, les bactéries ont en effet localement tendance à s'aligner entre elles et à ajuster leurs vitesses. La modélisation permet de reproduire qualitativement les propriétés « émergentes » de ces collectifs désignés sous le nom de « matière active », où chaque individu est capable de dissiper son énergie pour se déplacer.
Des chercheurs de l'Iramis sont parvenus à construire un modèle minimal permettant de décrire finement toutes les propriétés d'ensemble d'une colonie bidimensionnelle de bactéries en forme de bâtonnets. L'expérience réalisée par leurs partenaires chinois leur fournit en effet des relevés précis des positions et vitesses individuelles des bactéries. Les images montrent ainsi une structure en domaines ordonnés où les bactéries sont alignées et leurs vitesses très proches. Les frontières entre domaines mènent à des points topologique singuliers où sont observées des discontinuités de vitesse ou de direction d'alignement. Dans l'expérience, l'ajout d'une concentration ajustable d'antibiotique permet de contrôler la forme des bactéries et d'accéder ainsi à une riche statistique de résultats.
Non seulement le modèle permet de décrire correctement (au sens statistique) le système de bactéries, mais il prédit également, avec un niveau de détails tout à fait inattendu, la structure fine des points singuliers (défauts de vitesse ou d'orientation). Ainsi le modèle proposé permet-il de rendre compte à la fois du système étudié et aussi, de façon très précise, des défauts observés. Cette méthode versatile doit pouvoir être appliquée à de nombreux systèmes de matière active, vivante ou artificielle.
Ce travail a été réalisé en collaboration avec l'Institut de sciences naturelles de Shanghai Jiao Tong University et l'Institut de biologie synthétique de l'Académie des sciences chinoise, à Shenzhen.