Les chimistes synthétisent généralement des molécules en utilisant des collisions stochastiques de formation de liaisons des molécules réactives en solution. La nature suit une stratégie différente dans la synthèse biochimique. La majorité des réactions biochimiques sont entraînées par des complexes protéiques de type machine qui lient et positionnent les molécules réactives pour des transformations sélectives. Des "assembleurs moléculaires" artificiels réalisant une "mécanosynthèse" ont été proposés comme nouveau paradigme en chimie et en nanofabrication. Une équipe de chimistes de l'Université de Kiel (Allemagne) a construit le premier assembleur artificiel, qui effectue la synthèse et utilise la lumière comme source d'énergie. Le système combine la liaison sélective des réactifs, positionnement précis, et la libération active du produit. Les scientifiques ont publié leurs découvertes dans la revue Chimie des communications .

L'idée des assembleurs moléculaires, capables de construire des molécules, a déjà été proposé en 1986 par K. Eric Drexler, basé sur les idées de Richard Feynman, Lauréat du prix Nobel de physique. Dans son livre "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" et les publications de suivi, Drexler propose des machines moléculaires capables de positionner des molécules réactives avec une précision atomique et de construire de plus grandes, des structures plus sophistiquées via la mécanosynthèse. Si un tel nanorobot moléculaire pouvait construire n'importe quelle molécule, il pourrait certainement construire une autre copie de lui-même, c'est-à-dire qu'il pourrait s'auto-répliquer. Ces visions imaginatives ont inspiré nombre d'auteurs de science-fiction, mais a également déclenché une intense controverse scientifique.

Le problème des "doigts collants"

Le débat a culminé dans un article de couverture de Chemical &Engineering News en 2003 avec la question clé :« Les assembleurs moléculaires, des dispositifs capables de positionner des atomes et des molécules pour des réactions précisément définies, sont-ils possibles ? Ici, le lauréat du prix Nobel Richard E. Smalley a soulevé deux objections majeures :le problème des « gros doigts » et des « doigts collants » :pour saisir et guider chaque atome individuel, l'assembleur doit avoir de nombreux nano-doigts. Smalley a fait valoir qu'il n'y avait tout simplement pas assez de place dans la région de réaction de taille nanométrique pour accueillir tous les doigts de tous les manipulateurs nécessaires pour avoir un contrôle complet de la chimie. Le problème du "doigt collant" découle du problème que les atomes des mains du manipulateur adhèrent à l'atome qui est déplacé. Il sera donc souvent impossible de libérer le bloc de construction précisément au bon endroit. Smalley conclut que les problèmes de graisse et de doigts collants sont fondamentaux et ne peuvent être évités.

Regarder les assembleurs moléculaires de la nature

Cependant, dans la nature, de nombreux exemples d'assembleurs moléculaires existent, comme le ribosome, les peptides synthétases non ribosomiques, polykétide synthases, et l'ATP-synthase. "En termes d'assembleurs moléculaires, nous pouvons affirmer, si la nature utilise des assembleurs moléculaires pour la synthèse, les chimistes devraient, du moins en principe, être capables de construire et d'exploiter des assembleurs artificiels en laboratoire", dit Rainer Herges, professeur de chimie organique et porte-parole du Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" à l'Université de Kiel.

Herges et son équipe ont maintenant construit le premier assembleur artificiel, qui utilise la lumière comme source d'énergie. En regardant les assembleurs moléculaires dans la nature, ils ont essayé de réduire systématiquement leur sophistication et leur complexité à un niveau, réalisable avec la chimie de synthèse. La synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate et les peptides synthétases non ribosomiques ont servi de parangons.

Guides de ligands photocommutables à travers une réaction

Ils attrapent les réactifs, quatre ions vanadate, rapprochez-les et concaténez-les en anneaux. En positionnant les réactifs, un ligand photocommutable guide les réactifs à travers un canal de réaction spécifique, et il se forme une molécule qui n'est pas présente dans la solution de départ. La commutation photochimique du ligand vers un état non liant déclenche également la libération du produit et résout le problème du "doigt collant". L'équipe de recherche a choisi la lumière UV comme source d'énergie externe car elle est pratique à appliquer et aucun sous-produit interférant ne se forme contrairement aux sources d'énergie chimiques.

Un changement de paradigme dans la synthèse chimique

Machines moléculaires similaires, tels que les assembleurs qui condensent les acides aminés en protéines déclencheraient un changement de paradigme dans la synthèse chimique. Les avantages évidents sont moins de produits secondaires, énantiosélectivité, et des voies de synthèse plus courtes puisque la mécanosynthèse force les molécules dans un canal de réaction prédéfini. "De plus, le produit cyclique est plus énergétique que le matériau de départ. En d'autres termes, l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique", souligne Hergès. "Bien que la mécanosynthèse avec des assembleurs moléculaires artificiels soit extrêmement difficile, cela vaut la peine d'être étudié et pourrait fournir un nouveau moyen de conversion de l'énergie lumineuse."