Comment faire bouger des molécules
Des chimistes mettent au point un système moléculaire artificiel capable de se déplacer de manière autonome
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Une équipe de l'université d'Ulm a réussi à mettre au point un minuscule système moléculaire capable de se déplacer de manière autonome le long d'un parcours prédéfini, propulsé par un carburant chimique et sans contrôle externe des différentes étapes. Ces travaux comblent une lacune dans la recherche sur les machines moléculaires artificielles. À l’avenir, ce principe pourrait permettre de produire des molécules difficiles à obtenir par des moyens conventionnels. La revue spécialisée *Nature Chemistry* vient de publier ces résultats.
Dans la nature, de petites machines moléculaires fonctionnent dans chaque cellule : des protéines dites « motrices », telles que la kinésine ou la myosine, transportent des substances, permettent les mouvements musculaires et participent à la division cellulaire. Ces protéines se déplacent le long de fibres protéiques, comme si elles marchaient sur deux jambes. Elles sont propulsées par l’énergie fournie par une molécule produite par l’organisme. Depuis longtemps, les chimistes tentent de reproduire ces mouvements à l’aide de machines moléculaires artificielles. « Cependant, tous les “coureurs” connus jusqu’à présent devaient être commandés de l’extérieur, par exemple par l’ajout de produits chimiques, par la lumière ou par un champ électrique », explique Max von Delius. Ce professeur à l’Institut de chimie organique I de l’université d’Ulm avait déjà réussi, en 2010, lors de sa thèse à Édimbourg, à faire « parcourir » aux premières molécules au monde une petite distance moléculaire. Dans l’étude actuelle qu’il a coordonnée, le pas vers l’autonomie a désormais été franchi : « Notre coureur se déplace tout seul, tant qu’on lui fournit du carburant. »
Comment le « coureur » se met-il en mouvement ?
Les chercheurs utilisent comme « coureur » un groupe phosphate composé d’un atome de phosphore et de quatre atomes d’oxygène. Ce groupe est un élément constitutif biologique important et intervient dans pratiquement tous les processus métaboliques. Les deux parcours de course utilisés dans le dispositif expérimental des chercheurs d’Ulm sont également constitués de substances naturelles : la glycérine, un composant lipidique présentant trois sites de liaison possibles pour le groupe phosphate, ainsi que l’inositol, un dérivé du sucre offrant cinq sites de liaison.
« Pour que notre groupe phosphate puisse faire un pas sur ces marches, il doit rompre une liaison avec la marche moléculaire – en quelque sorte lever un pied – et former une nouvelle liaison sur la marche suivante », explique von Delius. « La difficulté réside dans le fait que ces liaisons sont extrêmement stables. Elles ne se rompent généralement que très lentement. D’un point de vue mathématique, il faut environ 140 000 ans pour que la moitié d’entre elles se désagrègent. Cette inertie est bénéfique pour notre génome. Mais pour un coureur censé effectuer plusieurs foulées par heure, c’est un désastre. »
Les chercheurs ont trouvé un moyen de surmonter cet obstacle grâce à un principe de réaction également connu pour l’ARN : lorsque le groupe phosphate se lie à deux groupes voisins composés chacun d’un atome d’oxygène et d’un atome d’hydrogène (groupes OH), il se forme une structure cyclique sous tension, « comme une arbalète armée », selon von Delius – et dans laquelle l'une des deux liaisons se rompt en l'espace de quelques minutes.
Pas à pas – sans dérailler
Ainsi, un pas du coureur se déroule comme suit : au sens figuré, le groupe phosphate se tient d’abord, tout à fait détendu, un pied posé sur sa piste. Lorsque les chercheurs y ajoutent un « carburant » – du carbodiimide soluble dans l’eau (EDC) –, celui-ci active le groupe phosphate pour qu’il s’ancre avec un deuxième pied à la position suivante. Il en résulte la liaison cyclique tendue mentionnée plus haut, dans laquelle le groupe phosphate est lié simultanément à deux sites voisins pendant un court instant – jusqu’à ce que l’eau permette la rupture d’une liaison. « Le pied arrière se soulève, le pied avant reste en place, et le groupe phosphate avance d’une position sans jamais quitter complètement la voie. Le cycle de réaction suivant marque la prochaine étape », explique von Delius.
« Notre étude démontre clairement l’effet du carburant », déclare le premier auteur, Patrick Alexander Hoffmann, de l’Institut de chimie organique I. « Sans carburant, 90 % des molécules de phosphate s’accumulent au fil des semaines à l’extrémité du rail de glycérol, dans la position la plus favorable sur le plan énergétique. Avec du carburant, en revanche, 64 % se trouvent au bout d’environ deux heures dans la position centrale, moins stable. Le carburant propulse le système dans un état qu’il n’atteindrait guère de lui-même – en quelque sorte, en montée. » Sur le squelette d’inositol plus long, l’effet était encore plus net : sans carburant, le groupe phosphate ne bougeait absolument pas, même après huit semaines. Avec du carburant, il migrait à travers les cinq positions possibles – soit quatre étapes au total.
Si du carburant est ajouté en continu, cet état se maintient pendant des heures. Les « coureurs » avancent alors sans cesse – comme dans un moteur biologique. « Nous avons estimé que la quantité de matière correspondant à une mole de coureurs – environ 200 grammes – parcourt au total une distance nette d’environ 8,3 millions de kilomètres par seconde », explique von Delius. « Le carburant est d’une efficacité remarquable : jusqu’à 19 molécules de carburant consommées sur 100 permettent de réaliser un pas. »
Ces travaux comblent une lacune dans la recherche
« Pour la première fois, ce système réunit trois propriétés décisives : la processivité, l’autonomie et l’asymétrie cinétique », explique von Delius. Cela signifie que le coureur reste lié à son parcours, se déplace de manière autonome tant qu’il y a du carburant, et est propulsé hors de sa distribution de repos naturelle par l’apport d’énergie. Grâce à cette démonstration, ces travaux comblent une lacune qui existait depuis de nombreuses années dans le domaine des machines moléculaires. « Le cycle de réaction mis au point pourrait aider à produire des principes actifs difficiles d’accès, en utilisant du carburant pour amener un groupe phosphate dans une position initialement défavorable, c’est-à-dire en le faisant pour ainsi dire “monter une côte” », explique von Delius. À long terme, les chercheurs souhaitent également faire se déplacer leurs « coureurs » de manière ciblée dans une seule direction et leur faire transporter des substances moléculaires. Ces travaux ont été financés par le Conseil européen de la recherche (CER) et par la Communauté allemande de recherche (DFG).
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