Nouvelles machines moléculaires pour moduler la matière à volonté

La nature génère des mouvements mécaniques à l’échelle moléculaire biologique grâce à des « machines moléculaires » qui produisent des effets observables aux échelles méso ou macroscopiques. Dans le cas de la mitose cellulaire1  par exemple, ce sont des complexes protéiques sophistiqués qui agissent comme des machines moléculaires pour assurer la division et la répartition du matériel génétique. A l’échelle macroscopique, la contraction musculaire repose sur l’action coordonnée de machines moléculaires principalement constituées de protéines motrices qui transforment l’énergie biochimique en mouvement mécanique. 

Des scientifiques de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS/Sorbonne Université) et du Laboratoire de réactivité de surface (CNRS/Sorbonne Université) ont cherché à savoir s’il était possible d’exploiter ce mouvement mécanique à l’échelle moléculaire pour obtenir d’autres effets macroscopiques, comme par exemple réaliser une transition réversible entre l’état gel et l’état liquide. Un phénomène qui pourrait trouver des applications dans le développement de matériaux capables de répondre ou de réagir à des environnements dynamiques, ou pour la libération contrôlée de médicament.

Ils ont ainsi conçu, par chimie supramoléculaire, des pinces moléculaires qui, associées à un métal (coordination métallique), sont susceptibles d’adopter deux conformations : l’une dite « ouverte » et l’autre « fermée ». En conformation ouverte, ces pinces s’auto-assemblent pour former un gel avec le solvant. Les gels ainsi obtenus ont été caractérisé par de nombreuses techniques spectroscopiques : microscopie électronique à balayage, cryo-microscopie en transmission, spectroscopie d’absorption des rayons X…  En introduisant ensuite dans le milieu des cations de zinc susceptibles de se greffer à ces pinces, les scientifiques sont parvenus à induire leur fermeture. Cette réorganisation structurelle mécanique conduit un nouvel auto-assemblage sous forme liquide, caractéristique de la conformation fermée.

Ils sont enfin parvenus à induire cette transformation sol-gel réversible de manière autonome avec un contrôle temporel en utilisant un acide se décomposant au cours du temps comme inducteur chimique. Ils montrent ainsi la capacité à contrôler un processus d’auto-assemblage supramoléculaire grâce à ce stimulus externe à l’origine d’un simple mouvement mécanique à l’échelle moléculaire.  Les applications potentielles incluent par exemple le développement de gels intelligents pour la libération contrôlée de médicaments, piégés dans la forme gel et se libérant au passage à la forme liquide.  Ou plus généralement la conception de systèmes capables de répondre de manière dynamique à des évolutions de leur environnement.

Rédacteur : CCdM

• 1La mitose cellulaire est un processus de division cellulaire qui permet à une cellule mère de se diviser en deux cellules filles génétiquement identiques.