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Deux mouvements pour une machine moléculaire contractile

De nombreux chimistes s’intéressent à la fabrication synthétique de dispositifs fonctionnels et de machines à l’échelle moléculaire. Des chercheurs de l’Institut de sciences et d’ingénierie supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg) viennent de synthétiser une nouvelle machine moléculaire présentant deux mouvements pilotés par les ions métalliques Ca2+ et Mg2+ qui détiennent d’importantes fonctions dans la contraction musculaire des organismes vivants, ainsi que les ions Zn2+. Ces résultats sont parus dans la revue Angew. Chem. Int. Ed.

Des processus biologiques comme la contraction musculaire font intervenir des machines moléculaires. Ces machines sont des objets qui peuvent effectuer des mouvements contrôlés par l'intervention d'un signal envoyé de l'extérieur. Depuis une quinzaine d’années, les chimistes élaborent des machines et "moteurs" moléculaires de synthèse en s’inspirant, pour partie, de ce que l’on observe dans les milieux biologiques.

Les chercheurs strasbourgeois ont réalisé la contraction de la partie linéaire d’une molécule dendritique (notée L sur la figure 1a), induite par l’ajout de cations métalliques. Ainsi, en présence de Ca2+, Mg2+ ou Zn2+, la structure linéaire évolue vers un complexe en forme de « z » contenant deux ions métalliques (figures 1 et 2). A l’aide d’un contre-ligand pour lequel les ions présentent une affinité plus forte que pour la molécule en « z », il est possible d’extraire ces ions et de revenir à la molécule linéaire. On réalise ainsi un mouvement de contraction/extension réversible. Le contre-ligand relâche les ions métalliques en milieu acide et les encapsule à nouveau en milieu basique. De cette manière, les mouvements de contraction/extension peuvent être contrôlés simplement par la variation du pH. L’amplitude estimée du mouvement est d’environ 17 Å.

Les chercheurs sont ensuite parvenus à induire un second mouvement pour la molécule dans sa forme contractée (figure 1b : passage de la géométrie « z » à « Z »). En jouant sur la nature et donc la taille des ions, on peut passer d’un « z » obtenu par la complexation d’ions Ca2+ à une forme « Z » avec des ions comme Zn2+, qui imposent une hauteur plus importante de la forme contractée. Ainsi, la substitution du Ca2+ par le Zn2+ engendre un nouveau changement de forme du complexe. Comme pour le mouvement précédent, on peut passer d’une forme à l’autre grâce à l’action d’un contre-ligand, en ajoutant un acide ou une base pour faire varier le pH.

Les chercheurs ont donc montré qu’il était possible de contrôler par de simples variations de pH les deux mouvements de ce dispositif. Ces travaux pourraient constituer le point de départ à la conception de machines moléculaires bio-inspirées plus complexes que celles qui ne présentent souvent qu’un seul mouvement.

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Figure 1 : représentation stylisée des deux types de fonctions de mouvement
© A.-M. Stadler

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Figure 2 : formules structurales du ligand dendritique L à sous-unité linéaire (gauche) et du complexe M2L en « Z « (droite).
© A.-M. Stadler

Référence

A.-M. Stadler, L. Karmazin & C. Bailly
Ca2+-, Mg2+-, and Zn2+-Based Dendritic Contractile Nanodevice with Two pH−Dependent Motional Functions
Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14570-14574
14 octobre 2015
doi: 10.1002/anie.201506474

Contact chercheur

Adrian-Mihail Stadler, Institut de sciences et d’ingénierie supramoléculaires – Strasbourg, et Institut für nanotechnologie, Karlsruhe

Courriel : mstadler@unistra.fr

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

21 décembre 2015