Les systèmes biologiques sont vraiment représentatifs d'un phénomène macroscopique complexe, étant contrôlé de manière aiguë par des réseaux de réactions chimiques microscopiques. Alors que les scientifiques cherchent à créer un matériau adaptatif et réactif réaliste, la recherche s'est intensifiée dans les imitations synthétiques de processus biologiques rudimentaires.

L'un de ces processus biologiques est la croissance contrôlée des protéines du cytosquelette. En plus d'agir comme un nano-squelette pour maintenir la forme des cellules, des assemblages de ces protéines sont responsables de la distribution des nutriments à l'intérieur d'une cellule. Ainsi, ils contrôlent presque tous les processus importants à l'intérieur de la cellule, de la division à la répartition des forces. Il serait prudent de présumer que les voies de contrôle de l'assemblage de ces protéines sont un facteur clé du comportement adaptatif et réactif d'une cellule. L'élément clé de ce processus est un système métabolique alimenté par l'ATP qui programme le taux de croissance et de décroissance de ces assemblages en fonction du temps. Un contrôle étroit est également maintenu sur la taille de ces ensembles car la taille est directement liée à l'efficacité fonctionnelle d'un système.

Dans une étude publiée récemment dans Communication Nature , des scientifiques du Jawaharlal Nehru Center for Advanced Science and Research (JNCASR) et de l'Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine (inStem) ont créé une imitation synthétique minimaliste des réseaux cytosquelettiques avec une programmation structurelle et temporelle. Le travail se concentre sur la croissance contrôlée par réaction d'un système moléculaire monomère à deux composants.

"Ce système monomère synthétique est élégamment conçu de manière à donner lieu à une réaction primaire qui convertirait un système monomère inactif (non assemblant) en un système monomère actif (qui déclenche l'assemblage) lors de l'ajout d'alkylamines (carburant), " a déclaré le Dr Subi George, professeur agrégé au JNCASR.

Ils montrent que cette réaction peut être utilisée pour contrôler avec précision la croissance unidimensionnelle (nanofibres) des assemblages résultants grâce à une disponibilité contrôlée du combustible. La croissance de ces structures nanofibreuses est entraînée par des interactions intermoléculaires très faibles (polymérisation supramoléculaire) telles que des réactions hydrophobes similaires aux bicouches lipidiques dans les membranes et des interactions aromatiques similaires à l'empilement de nucléobases dans l'ADN, et sont donc très dynamiques et ont des caractéristiques d'auto-réparation comme de nombreux assemblages biologiques.

"Alors que les systèmes biologiques modulent élégamment l'auto-assemblage avec une grande précision, conférer des propriétés de polymérisation transitoires et vivantes aux amphiphiles chimiques a été une tâche ardue jusqu'à présent. La conception d'un amphiphile formant in-situ nous a permis d'étudier à volonté les structures dynamiques assemblées, " a déclaré le Dr Praveen Kumar Vemula.

Grâce à des analyses spectroscopiques et microscopiques détaillées, ils ont établi que cette croissance était "vivante" dans la nature, résultant en des assemblages à distribution granulométrique très étroite (monodispersés). Le système a été développé davantage en couplant la croissance avec des scénarios chimiques choisis de manière unique, de sorte que le contrôle de la cinétique de croissance et de désassemblage a été établi. Par conséquent, un réseau transitoire programmé dans le temps d'assemblages fibreux a été réalisé. Dans les deux cas, la manipulation des caractéristiques temporelles clés allait de quelques secondes à des milliers de secondes. Cette étude représente donc une étape clé dans le développement de l'adaptation, réaliste, matériaux supramoléculaires.

"Nous avons, pour la première fois, a démontré que chaque caractéristique temporelle de la polymérisation supramoléculaire peut être contrôlée chimiquement et en outre couplée à d'autres réactions participantes similaires à un système biologique, " dit Ankit Jain, auteur principal de l'article.

« Contrôler les nano-architectures auto-assemblées à l'aide de stimuli tels que les enzymes et le pH a été fascinant, " dit Ashish Dhayani, auteur du papier.

"Ce travail est une avancée significative pour concevoir des systèmes actifs biomimétiques fonctionnant dans des conditions hors d'équilibre, avec une programmation spatio-temporelle par rapport à la majorité des systèmes passifs synthétiques rapportés jusqu'à présent, qui fonctionnent en équilibre thermodynamique avec seulement une complexité spatiale, " dit Shikha Dhiman, co-auteur de l'article.

Le prochain défi est de construire des systèmes synthétiques réalistes qui peuvent penser, apprendre et s'adapter comme le font les êtres vivants. Cette étude est l'une de ces premières étapes, mais il reste encore beaucoup de recherches nécessaires pour imiter pleinement les processus naturels. L'équipe espère appliquer ce principe et utiliser ces nano-architectures dynamiques d'auto-assemblage dans des systèmes biologiques.