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Liquid crystals and biological morphogenesis: Ancient and new questions - 30/04/08

Doi : 10.1016/j.crci.2007.10.001 
Yves Bouligand
‘Histophysique et cytophysique’, École pratique des hautes études & Université d'Angers, IBT, 10, rue André-Bocquel, 49100 Angers, France 

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Abstract

Superposed series of arcs were observed in extracellular matrices of diverse tissues in plants and animals, and also within certain chromosomes. These bow-shaped patterns were shown to originate from oblique sections in a three-dimensional arrangement of fibrils, which was reminiscent of a well-known structure present in a specific type of liquid crystal, called “cholesteric”, since it was first described in several cholesterol esters. These liquid crystals were also obtained with numerous chiral polymers, such as double-stranded nucleic acids, diverse polypeptides and polysaccharides. However, the fibrous matrices with arced patterns are not at all fluid in general and are considered as stabilized analogues of cholesteric liquid crystals. These geometrical similarities between fibrous tissues and liquid crystals were at the origin of numerous works defining a new type of self-assembly involving two successive steps: a phase transition from an isotropic liquid phase to a liquid crystalline one, followed by a sol–gel stabilization of the liquid crystal. One is tempted to apply to these biological materials the main concepts introduced by physicists in the field of liquid crystals, but many aspects require a new discussion, especially because living cells are present in such systems, and this opens considerable perspectives for research.

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Résumé

Des séries d'arceaux superposées furent observées dans les matrices extracellulaires de divers tissus de plantes ou d'animaux, ainsi qu'en certains chromosomes. Il fut démontré que ces motifs de forme arquée provenaient de l'obliquité de sections réalisées dans un arrangement tridimensionnel de fibrilles, qui rappelait une structure présente en un type spécifique de cristal liquide, appelé «cholestérique» parce qu'il fut décrit initialement en plusieurs esters du cholestérol. Ces cristaux liquides furent obtenus aussi avec de nombreux polymères chiraux, tels que les acides nucléiques à double chaîne, divers polypeptides et polysaccharides. Cependant, les matrices fibreuses à motifs en arceaux ne sont pas du tout fluides en général, et sont plutôt considérées comme des analogues stabilisés de cristaux liquides cholestériques. Ces similitudes géométriques entre tissus fibreux et cristaux liquides ont conduit à de nombreux travaux définissant un nouveau type d'autoassemblage en deux étapes: une transition de phase passant d'un liquide isotrope à un cristal liquide, suivie d'une stabilisation sol–gel du cristal liquide. On est tenté d'appliquer à ces matériels biologiques les principaux concepts introduits par les physiciens dans le domaine des cristaux liquides, mais beaucoup d'aspects exigent une nouvelle discussion, spécialement parce que des cellules vivantes sont présentes dans ces systèmes, ce qui ouvre de condidérables perspectives pour la recherche.

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Keywords : Fibrous systems, Arced patterns, Natural plywoods, Self-assembly

Mots-clés : Systèmes fibreux, Motifs en arceaux, Contreplaqués naturels, Auto-assemblages


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Vol 11 - N° 3

P. 281-296 - mars 2008 Retour au numéro
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