3.2 Calcification de la coquille
3.2.2 Matrice organique et biominéralisation de la coquille
La matrice organique joue un rôle fondamental dans la minéralisation et dans l’élaboration de la structure et, par conséquent, des propriétés mécaniques de la coquille (Nys
et al, 1999, Nys et al, 2004, Gautron and Nys, 2007b). La mise en évidence d’un changement
de la composition protéique du fluide utérin lors des différentes phases de calcification est une observation expérimentale indirecte qui suggère une variation du contenu organique lors du processus de calcification (Gautron et al, 1997). Une intervention de la matrice organique dans le processus de calcification implique une interaction de celle-ci avec la phase minérale pour contrôler la croissance minérale, la morphologie des cristaux de calcite et leur allongement comme montré in situ. Cette hypothèse a été confirmée par différentes approches expérimentales in vitro, in vivo et génomique.
Approche in vitro
Des propriétés de liaison au calcium ont été observées pour des fractions protéiques de la matrice organique (Abatangelo et al, 1978, Wheeler et al, 1981, Hincke et al, 1992) et des protéoglycanes à kératanes et dermatanes sulfates de la coquille (Arias et al, 1992) ainsi que pour des bandes protéiques du fluide utérin (Gautron et al, 1997).
L’un des tests fréquemment utilisé auparavant pour confirmer l’interaction matrice-minéraux consistait à mesurer la vitesse de précipitation du carbonate de calcium (Wheeler et
al, 1981). Ainsi, il avait été observé que l’ajout de protéines extraites de la coquille d’œuf de
poule retardait cette précipitation, d’une manière dose-dépendante (Arias et al, 1992, Arias et
al, 1993, Gautron et al, 1996). L’ajout de fluide utérin total n’a pas le même effet en fonction
du stade de minéralisation auquel il est prélevé. La vitesse de précipitation du carbonate de calcium est augmentée par rapport aux conditions contrôles lorsque le fluide ajouté est prélevé aux stades initial ou croissance, alors qu’elle est diminuée lorsque le fluide ajouté est prélevé au stade terminal. Lorsque le fluide utérin est dialysé de manière à n’en conserver que les macromolécules, la précipitation du carbonate de calcium est alors ralentie, quel que soit le stade (Gautron et al, 1997).
La méthode de Wheeler (1981) utilisée auparavant ne permettant pas l’analyse d’effets homogènes des protéines sur la morphologie de cristaux formés in vitro, une micro-méthode réalisée au moyen d’un dispositif appelé champignon de minéralisation a été développée pour permettre une bonne reproductibilité et une homogénéité des cristaux de carbonate de calcium (Dominguez-Vera et al, 2000). Un faible volume de solution favorise une diffusion homogène du CO2 dans la gouttelette de solution de CaCl2. Ce test mené dans des conditions contrôles démontre la répartition suivante entre les différents polymorphes de carbonate de calcium : 55% pour la calcite et 22,5% pour chacun des deux autres polymorphes, la vatérite et l’aragonite (Hernandez-Hernandez et al, 2008a).
Ce dispositif a été utilisé en présence de fluide utérin ou de différentes fractions protéiques de la matrice organique. En présence de fluide utérin prélevé à chacun des stades de calcification de la coquille, il est observé que seul le polymorphe calcite est obtenu. Le nombre de cristaux formés est augmenté, leur taille et le temps de latence pour les obtenir sont diminués (Tableau 1) et leurs morphologies modifiées par rapport aux conditions contrôles (Figure 8) (Dominguez-Vera et al, 2000, Hernandez-Hernandez et al, 2008a).
Tableau 1 : Tableau récapitulatif des résultats des tests de cristallisation in vitro en présence de fluides utérins prélevés à chacun des stades de la calcification
(Hernandez-Hernandez et al, 2008a)
Figure 8 : Photographies au microscope électronique à balayage montrant les modifications morphologiques des cristaux de calcite en présence de fluide utérin prélevés à chacun des stades de la calcification
(Dominguez-Vera et al, 2000)
Dans une autre étude, huit fractions de protéines de la matrice organique de coquille d’œuf de poule ont été obtenues par chromatographie liquide. En présence de ces fractions, seule la calcite est observée. Par contre, les différentes fractions n’ont pas les mêmes effets sur le temps de latence pour obtenir les premiers cristaux ainsi que le nombre et la taille des cristaux formés (Tableau 2) (Hernandez-Hernandez et al, 2008b).
Condition Concentration protéique (µg/mL) Temps de latence (min) Nombre de cristaux Types polymorphiques Taille des cristaux (µm) Contrôle 0 ~900 40 55% calcite 22% vatérite 23% aragonite 100-200 Fluide utérin
stade initial 92 <0.2 >10000 100% calcite 6-20 Fluide utérin
stade croissance 455 <0.2 >10000 100% calcite 5-52 Fluide utérin
stade terminal 163 <0.2 >10000 100% calcite 5-22
Calcite contrôle Fluide utérin
stade initial
Fluide utérin stade croissance
Fluide utérin stade terminal
Tableau 2 : Tableau récapitulatif des résultats des tests de cristallisation in vitro en présence de fractions de protéines de coquille d’œuf de poule
(Hernandez-Hernandez et al, 2008b)
Approche in vivo
Les interactions qui se produisent entre les constituants de la matrice organique et la phase minérale au cours de la minéralisation affectent la morphologie des cristaux et, par conséquent, la texture de la coquille (taille et orientation des cristaux) et ses propriétés mécaniques. Cette hypothèse implique une variation de la quantité des protéines de la matrice organique selon les propriétés mécaniques de la coquille. Deux études ont permis de mettre en évidence cette relation (Panheleux et al, 2000, Ahmed et al, 2005). Dans la première, des œufs issus de poules jeunes qui se caractérisent par des coquilles solides ont été comparés à des œufs issus de poules plus âgées à coquilles plus fragiles. Il a été constaté que la concentration totale des protéines de la matrice organique ne variait pas en fonction de l’âge des poules. A contrario, la concentration relative de deux protéines non spécifiques de la coquille était plus élevée dans la matrice organique des coquilles d’œufs de poules âgées que dans celle des coquilles d’œufs de poules jeunes (Panheleux et al, 2000). La seconde utilise le modèle de la mue et compare des œufs issus des mêmes poules au même âge prélevés avant et après la mue. Les œufs prélevés après la mue présentent une amélioration des propriétés mécaniques de leur coquille. Il est observé une augmentation de la quantité relative de protéines spécifiques de la matrice organique et une diminution de la quantité de protéines non-spécifiques suite à la restauration de la qualité de la coquille (Ahmed et al, 2005). Ces études mettent en évidence une corrélation entre la composition de la matrice organique et la qualité de la coquille.
Fraction Temps de latence (min)
Nombre de cristaux
% types polymorphiques CaCO3 Taille des cristaux (µm) Calcite Aragonite Vatérite
Contrôle 1 1100 124 60 18 22 ~90 G 1680 12 100 0 0 86 H 1100 147 100 0 0 59 N 1300 112 100 0 0 195 R >1300 10 100 0 0 130-230 Contrôle 2 960 77 55 22,5 22,5 ~95 c’ 960-1200 59 100 0 0 62 g’ 960-1200 40 100 0 0 62-118 i’ 960-1200 77 100 0 0 49-138 k’ >1360 11 100 0 0 118,5
Approche génomique
Dunn et collaborateurs (Dunn et al, 2009a, Dunn et al, 2012) ont identifié des polymorphismes simples dans certains gènes codant pour des protéines de la matrice organique de la coquille au sein d’une population de poules Rhode Island Red. Ils ont également réalisé différentes mesures phénotypiques de qualité de coquille telles que la rigidité dynamique, la résistance à la rupture, l’épaisseur de la couche mamillaire, la taille et l’orientation des cristaux composant la coquille sur cette même population. Des associations entre mesures phénotypiques et polymorphismes des gènes ont été établies.
Takahashi et collaborateurs (Takahashi et al, 2009) ont réalisé un croisement sur deux générations entre deux lignées divergentes sélectionnées sur la résistance de la coquille (une lignée à coquille forte et une lignée à coquille faible) et mesuré différents paramètres morphologiques de l’œuf et de la coquille (petite et grande longueur de l’œuf, masse de l’œuf et de la coquille, épaisseur de la coquille). Des QTL (Quantitative Trait Loci) influençant ces différents paramètres ont pu être identifiés sur le chromosome 9.