Fig. 1. Pseudo-rotaxane (machine moléculaire artificielle) dans laquelle le mouvement de translation de la α cyclodextrine (α-CD) coïncide avec la deutération. Comme α-CD se déplace le long de la molécule d'axe à deux stations comme indiqué par la flèche grise, il catalyse la deutération de la molécule d'axe. Crédit :Université d'Osaka
La vie est conduite par des machines moléculaires. Trouvé dans chaque cellule, ces petits moteurs convertissent l'énergie chimique en travail pour maintenir le corps en mouvement. L'invention des machines moléculaires synthétiques, qui effectuent des travaux similaires pour alimenter des technologies miniaturisées, est un sujet brûlant en nanosciences.
Maintenant, une équipe dirigée par l'Université d'Osaka a inventé une machine moléculaire semblable à un cliquet - un composant potentiel de dispositifs moléculaires sophistiqués - qui permet un mouvement dans une seule direction. Cela permet d'observer simultanément le mouvement et la réactivité chimique d'une machine moléculaire, ce qui est un défi de longue date.
Une conception classique pour les machines moléculaires est un "haltère" symétrique - une grande molécule cyclique au milieu, coincé entre des bloqueurs encombrants à chaque extrémité, reliés par une entretoise. Inspiré de ce motif (connu sous le nom de rotaxane), l'équipe d'Osaka a créé un pseudo-rotaxane, où les trois parties – les deux bloqueurs (« stations ») et le cycle central – sont de petits anneaux. L'étude a été rapportée en Rapports scientifiques .
Les deux stations de leur machine moléculaire sont en pyridinium, un cycle de six membres. Des groupes méthyle (CH3) sont attachés à chaque station, comme des crochets barbelés. Cependant, une station porte un seul groupe méthyle, tandis que l'autre extrémité en a deux.
"Cette asymétrie met en place un axe le long de la molécule, favoriser le mouvement vers l'extrémité à double crochet, qui agit comme un bouchon, ", explique le premier auteur de l'étude, Akihito Hashidzume.
Fig.2. Un modèle cinétique simplifié pour la formation de pseudo-rotaxane à partir de α-CD et de la molécule à axe à deux stations. Crédit :Université d'Osaka
Le concept a été démontré en utilisant la α-cyclodextrine (α-CD), un macrocycle constitué de six anneaux de glucose. L'anneau α-CD est suffisamment large pour s'adapter sur l'extrémité à un crochet et glisser le long du cliquet vers la butée. En chemin, il interagit avec les gares et l'anneau central. En réalité, L'α-CD catalyse une réaction chimique dans laquelle la molécule en forme de cliquet échange des atomes d'hydrogène avec le solvant aqueux.
Des expériences de marquage ont confirmé que cet échange n'avait lieu qu'à une extrémité du cliquet. Lorsque la réaction a été effectuée dans de l'eau lourde (D2O), des atomes de deutérium (D) ont été trouvés sur les groupes méthyle de la station à un crochet et de l'anneau central ainsi que sur le méthylène de la deuxième station, mais pas le bouchon à deux crochets. Il semble que le -CD soit passé au-dessus de l'anneau central mais n'ait pas pu atteindre les groupes méthyle du bouchon.
Fig.3. Une illustration conceptuelle d'un cliquet moléculaire artificiel. Le mécanisme de régulation de la direction du mouvement dans les machines moléculaires, basé sur le couplage du mouvement avec une réaction chimique entraînée par l'enthalpie. Crédit :Université d'Osaka
"Ici, nous avons une réaction chimique couplée à un mouvement biaisé dans une direction, ", dit l'auteur correspondant Akira Harada. "Nous l'appelons 'traduction sélective, ' car la -CD préfère passer d'une face du pseudo-rotaxane à l'autre. Nous nous inspirons de la nature :en effectuant un mouvement à cliquet dans une direction, nous espérons exploiter l'énergie chimique d'une manière similaire aux moteurs biomoléculaires, comme ceux des muscles."
