Si vous voulez construire une grande maison, vous devez utiliser un échafaudage. Le professeur Ye Zhang et ses collègues de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) appliquent ce principe de construction à leurs travaux de laboratoire, avec une différence majeure :les matériaux avec lesquels ils travaillent ne mesurent que quelques milliardièmes de mètre carré.

La construction à l'échelle nanométrique est un domaine de la nanotechnologie qui utilise des nanomatériaux comme éléments de base pour créer des matériaux dotés de caractéristiques spécifiques. Aux débuts du domaine, les chercheurs ont étudié le potentiel de la construction de structures à l'échelle nanométrique/micrométrique à l'aide de composants moléculaires uniques. Maintenant, les scientifiques s'inspirent du monde biologique qui implique un processus beaucoup plus complexe avec des interactions entre de nombreux composants différents.

Dans les organismes vivants, des structures moléculaires complexes sont constamment construites et déconstruites au cours du cycle de vie de l'organisme. Par exemple, pour se déplacer dans le corps, les cellules doivent interagir avec leur environnement extérieur, connue sous le nom de matrice extracellulaire (MEC). L'ECM est l'échafaudage fibreux naturel qui fournit un support structurel et biochimique aux cellules environnantes. Pour se créer un espace pour se déplacer, les cellules sécrètent des enzymes protéases, qui digèrent partiellement l'ECM. Inversement, les molécules dans l'ECM peuvent également soutenir ou supprimer des processus au sein de la cellule elle-même.

S'inspirant des méthodes de construction biologique utilisées dans les cellules et l'ECM, l'Unité Matière Molle Bioinspirée, dirigé par le professeur Zhang, a conçu et synthétisé une boîte à outils à l'échelle nanométrique de molécules qui peuvent interagir ensemble pour assembler des structures moléculaires complexes. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Angewandte Chemie Édition Internationale .

Les chercheurs ont conçu et synthétisé deux molécules basées sur un composé chimique organique parfumé appelé coumarine. L'un est une molécule peptidique qui s'auto-assemble en nanofibres. Ceux-ci se réunissent pour former un « échafaudage » moléculaire. L'autre est une molécule de benzoate qui s'auto-assemble en nanostructures en forme de feuille. Ces feuilles forment des « briques » moléculaires, qui à leur tour prennent la forme de tours moléculaires. Lorsque ces molécules sont mélangées, ils se séparent par type, s'auto-assembler puis interagir ensemble pour construire des structures moléculaires d'ordre supérieur.

Les chercheurs ont modifié la structure de l'échafaudage moléculaire en utilisant la lumière UV ou une enzyme pour cliver les nanofibres, ce qui leur a permis de manipuler la hauteur de la « tour moléculaire ». Ils ont utilisé des microscopes électroniques à balayage à l'OIST pour observer les caractéristiques structurelles des molécules, tels que les calques et les formes. Puis, avec l'aide des techniciens de l'OIST, ils ont utilisé la microscopie à force atomique pour mesurer la hauteur exacte des tours moléculaires en nanomètres.

Ils ont montré que l'échafaudage peptidique fibreux régule la hauteur et l'architecture de la tour moléculaire. A l'aide de cet échafaudage, qui fournit un support par des interactions de surface entre les nanostructures, les briques de benzoate peuvent former des structures plus hautes. "Alors que les briques moléculaires à elles seules peuvent construire des tours allant jusqu'à 100 nanomètres, quand nous avons ajouté la fibre, ils pourraient construire des tours jusqu'à 900 nanomètres, " dit le professeur Zhang.

En imitant le processus d'auto-assemblage moléculaire qui se produit dans les organismes vivants, les chimistes peuvent apprendre de nouvelles méthodes de synthèse chimique de nano/micro-structures. À l'avenir, la Bioinspired Soft Matter Unit espère construire des molécules spécifiques sur les membranes biologiques pour réguler le destin des cellules. Par exemple, en construisant des molécules sur les membranes cellulaires, ils espèrent pouvoir un jour manipuler l'organisation spatiale des protéines membranaires.