L’outil ‘Nanocage’ démêle les spaghettis (moléculaires)

Une équipe de scientifiques de l’Université du Vermont a inventé un nouvel outil – ils l’appellent une «nanocage» – qui peut attraper et redresser les enchevêtrements de polymères de la taille d’une molécule.

Une fois qu’un brin de polymère noueux – qu’il soit fait de protéines ou de plastique – est ouvert « , nous pouvons activer uniquement les polymères que nous voulons, tout en laissant le reste tranquille », explique le chimiste UVM Severin Schneebeli qui a dirigé la nouvelle recherche. Cet outil – qui fonctionne un peu comme tirer une liasse de fil à travers un trou d’aiguille – « ouvre une nouvelle façon de créer des matériaux personnalisés qui n’ont jamais été faits auparavant », dit-il. Il peut s’agir de revêtements de pilules à l’échelle nanométrique qui s’enroulent autour de molécules de médicament uniques ou de nouveaux produits industriels assemblés à partir de brins de plastique précisément disposés à l’échelle atomique.

L’outil, composé de bords moléculaires avec des liaisons hydrogène spéciales « orientant la forme » – et des milliers de fois plus petites qu’une tête d’épingle – peut sélectionner des brins plus courts d’un polymère, en laissant des plus longs derrière, démontrant que la nanocage peut être utilisée pour trouver sélectivement tailles particulières de molécules dans une soupe de matière. « C’est sélectif et cela n’a jamais été fait auparavant », explique Schneebeli. Cette recherche est la première fois que la science a pu distinguer et activer des chaînes de polymère de différentes tailles dans un laboratoire, ouvrant la porte à de nouvelles possibilités pour la chimie de précision.

La nouvelle recherche a été publiée dans l’édition de juin de la revue Chem.

La nature sait

Les capacités de la nanocage sont nouvelles pour la science, mais pas pour la nature. Pendant des milliards d’années, la vie a développé des façons de sélectionner juste le morceau d’une protéine ou d’un autre nœud biologique qu’elle veut dénouer et activer – ce que les scientifiques appellent «fonctionnaliser». Mais les gens ont eu du mal à faire la même chose. « Malgré de nombreux exemples en biologie », écrivent les scientifiques de l’UVM, « la modification efficace et sélective des polymères synthétiques est toujours difficile. »

Qu’il modifie des brins biologiques, comme l’ADN, ou des matériaux industriels, comme les plastiques, le nouvel outil en forme de tétraèdre promet de laisser les scientifiques faire ce que la nature fait déjà bien. « Il a fallu des années de dur labeur en laboratoire pour assembler ce tétraèdre avant de pouvoir le tester », explique Mona Sharafi, l’auteur principal de la nouvelle étude, et chercheur post-doctoral à l’Université du Vermont qui est venu aux États-Unis à partir de Iran. « C’est entièrement créé par l’homme », dit-elle, « mais inspiré par la nature. »

Polymères puissants

Le mot polymère vient d’une paire de mots grecs qui signifient «plusieurs parties». Et les polymères ne sont que cela: des matériaux fabriqués à partir d’énormes molécules composées de nombreuses parties répétitives. On les retrouve dans de nombreux produits du quotidien. Certains sont naturels, comme le caoutchouc et la gomme laque. Beaucoup sont synthétiques et sont utilisés pour produire une grande partie de la matière dans la vie quotidienne – des sacs à provisions aux couches, des vêtements aux tuyaux d’eau. Les polymères peuvent être trouvés dans de longues chaînes bien rangées au niveau moléculaire – ou ils peuvent être attachés en nœuds de bonne foi comme un milliard de brins de micro-spaghetti

La nature a eu des éons pour comprendre comment à la fois synthétiser ces énormes molécules – des biopolymères, comme l’ADN – et comment éditer et activer des portions sélectionnées. Les gens sont devenus assez bons pour fabriquer de nouveaux polymères synthétiques, mais pas si bons pour les sélectionner et les modifier. De nombreux scientifiques et ingénieurs – travaillant sur de nouvelles applications pour les énergies renouvelables (par exemple, les cellules solaires de prochaine génération), la médecine de précision (comme la livraison de médicaments contre le cancer à des parties ciblées du corps) et l’électronique de pointe (y compris les appareils flexibles) – aimeraient avoir plus de contrôle et d’efficacité en travaillant avec ce que l’équipe UVM appelle «des polymères fonctionnels avec des topologies complexes». Avec le soutien de la National Science Foundation et des National Institutes of Health (qui ont soutenu les études informatiques dirigées par le chimiste UVM Jianing Li), la recherche sur la nanocage fournit un nouvel outil pour le faire: «pour dénouer le nœud, ouvrir les polymères qui aurait été inaccessible auparavant « , explique Mona Sharafi de l’UVM. « Nous avons ouvert quelque chose de grand. »