Recherche par une équipe comprenant le doctorant en chimie Chuhan Zong et A. James Link, professeur agrégé de génie chimique et biologique, a découvert des molécules bactériennes en forme de lasso capables de changer de forme lorsqu'elles sont exposées à la chaleur. Crédit :Frank Wojciechowski
Si l'avènement des ordinateurs a lancé l'ère de l'information, la capacité de concevoir de minuscules machines à partir de molécules pourrait définir les décennies à venir.
Témoignant de l'avancée rapide de la nanotechnologie, le prix Nobel de chimie 2016 a été décerné aux scientifiques qui ont construit les premières machines moléculaires synthétiques au monde en imbriquant des molécules uniques dans des dispositifs capables de mouvement mécanique.
Maintenant, une découverte des scientifiques de l'Université de Princeton, signalé le 2 août dans le Journal de l'American Chemical Society , démontre que les humains n'ont pas le monopole de la construction des plus petites machines du monde. Les chercheurs de Princeton ont découvert une molécule bactérienne en forme de lasso capable de modifier sa configuration lorsqu'elle est exposée à la chaleur, une capacité de changement de forme semblable à celle utilisée pour faire fonctionner certaines machines moléculaires synthétiques. Le lasso est un type de chaîne moléculaire connue sous le nom de peptide.
"La découverte de ce peptide lasso, que nous avons nommé benénodine-1, démontre que nous pourrions nous tourner vers la biologie ainsi que l'ingénierie pour le matériel source dans le développement de dispositifs moléculaires, " a déclaré A. James Link, un professeur agrégé de génie chimique et biologique à Princeton qui était l'auteur principal de l'article.
Bien que les demandes soient encore pour la plupart spéculatives, les utilisations potentielles des machines moléculaires sont énormes, couvrant tout, des microrobots qui délivrent des médicaments dans le corps humain aux nouveaux types de matériaux qui s'adaptent en temps réel aux changements environnementaux tels que les fluctuations de chaleur, lumière ou humidité.
Les premières avancées majeures dans la construction de machines moléculaires ont eu lieu dans les années 1980, lorsque le chimiste Jean-Pierre Sauvage a pu construire des molécules mécaniquement connectées en liant ensemble deux anneaux moléculaires. Cela contraste avec la technique classique de connexion des molécules par des liaisons covalentes, une liaison chimique dans laquelle les molécules se fixent en partageant des électrons.
Au début des années 1990, un autre scientifique, Fraser Stoddart, créé une nouvelle structure, appelé rotaxane, en enfilant une tige moléculaire à travers un anneau de molécules et en la fixant en place. L'anneau pourrait monter et descendre la tige, mais ne tomberait pas à cause des bouchons Stoddart ajoutés à chaque extrémité de la tige. Depuis leur avènement, les rotaxanes ont été utilisés pour créer un ascenseur à l'échelle nanométrique, un muscle artificiel et même un petit ordinateur. Sauvage et Stoddart ont partagé le prix Nobel de chimie 2016 avec un autre scientifique, Bernard Feringa, qui a construit des moteurs moléculaires, dont un capable de faire tourner une minuscule tige de verre de 10, 000 plus grand que la machine elle-même.
Alors que les machines moléculaires construites par Sauvage, Stoddart et Feringa ont été synthétisés en laboratoire, Link et ses collègues de Princeton se sont tournés vers la nature pour s'inspirer de la nano-ingénierie.
L'équipe de Link a développé des méthodes de recherche dans les séquences d'ADN d'organismes pour prouver qu'ils pourraient produire des peptides. Comme leurs grands cousins, protéines, les peptides sont des chaînes d'acides aminés liés.
L'équipe de Link a développé des méthodes pour rechercher dans l'ADN des organismes la preuve qu'ils pourraient produire des peptides; certains peptides ont des structures inhabituelles qui les rendent intéressants pour les scientifiques qui explorent la façon de construire des commutateurs moléculaires et des machines. Crédit :Frank Wojciechowski
En particulier, Link s'est concentré sur la découverte de peptides lasso, une classe de molécules se distinguant par une forme en nœud coulant, où une longue section "queue" de la molécule traverse une section "anneau". Le nom de cette classe de peptides provient de la similitude de leur structure et de celle des nœuds lariat utilisés dans les lassos de cow-boy. Leur structure rend les peptides lasso très stables, une caractéristique biologique importante. Tenus ensemble par des liaisons mécaniques, les peptides lasso ressemblent également aux structures de Rotaxane en anneau et en bâtonnet de Stoddart, et sont donc classés comme rotaxanes.
Certains peptides lasso ont des propriétés antimicrobiennes et peuvent représenter un nouveau type d'antibiotiques, un domaine que le laboratoire de Link explore. La structure du rotaxane des peptides en fait également des candidats possibles pour la construction de machines moléculaires.
L'équipe de Princeton a découvert le peptide lasso benénodine-1 en explorant l'ADN d'Asticcacaulis benevestitus, une protéobactérie du sol des montagnes de l'Oural en Russie. Lorsqu'il est exposé à la chaleur, de nombreux peptides lasso naturels se désenfilent, avec la partie de queue de la molécule glissant hors de l'anneau. Lorsque les chercheurs de Princeton ont exposé la benénodine-1 à la chaleur, ils ont été surpris de constater que la molécule a changé de forme, mais a maintenu sa confirmation de nœud coulant.
"Cette capacité à changer de forme sans se désenfiler est intrigante, " a déclaré Link. " Les deux conformations conservent la structure du rotaxane, ce qui en fait le premier exemple de commutable, molécule mécaniquement imbriquée trouvée dans la nature."
"Cela soulève des questions quant à savoir s'il existe une explication évolutive à ce comportement et si d'autres molécules de commutation de ce type pourraient exister dans la nature, " il a dit.
Link et ses collègues ont également découvert d'autres changements intrigants dans le comportement chimique de la benénodine-1 qui ont été déclenchés par la chaleur. Avant l'exposition à la chaleur, le peptide lasso pourrait être haché par une enzyme appelée benénodine-1 isopeptidase. Mais après que le chauffage ait changé le peptide lasso dans sa nouvelle configuration, il n'était plus affecté par l'enzyme.
Link a déclaré que cette différence dans la façon dont l'enzyme fonctionne à différentes températures pourrait se traduire par des changements dans la fonction biologique, un phénomène qui pourrait jouer un rôle dans l'impact du changement climatique sur les communautés microbiennes du sol.
L'équipe de Princeton envisage d'explorer si la propriété de commutation de la benénodine-1 pourrait être utilisée dans des applications pratiques, comme la liaison des polluants métalliques pour aider au nettoyage de l'environnement.
Le peptide pourrait également fournir une source naturelle pour les éléments constitutifs des nanostructures dans lesquelles deux anneaux moléculaires sont physiquement bouclés ensemble. Les chercheurs étudient si ces nanostructures pourraient être utilisées pour construire des dispositifs électroniques moléculaires et des capteurs. Par exemple, ils pourraient être utilisés comme capteurs thermiques qui indiqueraient quand un emballage de matériaux thermosensibles tels que des médicaments a été exposé à la chaleur.
"La découverte de cette propriété de commutation naturelle dans un peptide lasso ouvre de nombreuses nouvelles voies de recherche, en explorant l'évolution des peptides et des enzymes, à l'utilisation de produits naturels en nanotechnologie, " dit Link.
