Dans le développement de systèmes et de matériaux autonomes, les structures moléculaires auto-assemblées contrôlées par des réseaux de réactions chimiques sont de plus en plus importantes. Cependant, il y a un manque de mécanismes externes simples qui assurent que les composants de ces réseaux réactionnels peuvent être activés de manière contrôlée.

Une équipe de recherche dirigée par le Prof. Dr. Andreas Walther et le Prof. Dr. Henning Jessen du Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) et Jie Deng de l'Institut de chimie macromoléculaire de l'Université de Fribourg sont les premiers à montrer comment les composants individuels des structures auto-assemblantes à base d'ADN peuvent être activés et contrôlés à l'aide d'une photo réactive à la lumière. commutateurs. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Angewandte Chemie .

En utilisant des modèles biologiques tels que des microtubules, les chercheurs développent des structures d'auto-assemblage. Les microtubules sont des complexes protéiques qui forment une structure d'échafaudage dynamique dans les cellules des plantes, les animaux et les humains. Leur structure d'auto-assemblage signifie que les microtubules se forment et se dégradent constamment en même temps. Cela permet à l'échafaudage de s'adapter facilement aux situations changeantes et de réagir rapidement aux stimuli en réorganisant les blocs de construction. Ces processus sont entraînés par une dissipation constante d'énergie, c'est-à-dire une conversion d'énergie, que l'organisme régule via des mécanismes de rétroaction. Les structures de matériaux agissant de manière autonome, telles que celles développées par les scientifiques du pôle d'excellence livMatS, devraient être également adaptables à l'avenir. Ceci peut être réalisé avec des systèmes, dans lequel une activation et une désactivation énergétiques ont lieu provoquant la formation structurelle et la dégradation de blocs de construction.

Dans leur travail, les chercheurs de Fribourg ajoutent le fournisseur d'énergie adénosine triphosphate (ATP) aux éléments constitutifs de l'ADN dans un tel système. Les scientifiques ont installé des photocommutateurs moléculaires d'un côté de l'ATP. Ceux-ci réagissent à la lumière en tombant lorsqu'ils sont spécifiquement irradiés et en libérant l'ATP en tant que molécule de carburant efficace pour le système. Le contrôle des photocommutateurs est influencé par la longueur d'onde de la lumière, la durée de l'irradiation et l'intensité lumineuse. L'activation spécifique de l'ATP déclenche à son tour un processus :une enzyme ferme une liaison qui forme des brins plus longs à partir des monomères d'ADN. Une autre enzyme, qui peut reconnaître et couper l'ADN à certaines positions, clive à nouveau les sites de liaison. Il en résulte une formation et une dégradation simultanées des blocs de construction. Au cours de ce processus, les éléments constitutifs de l'ADN se combinent pour former un polymère.

"Notre objectif à long terme est d'utiliser le carburant biologique ATP pour développer des matériaux synthétiques qui brouillent au moins la frontière entre matière vivante et matière morte, " explique Andreas Walther. " Si nous sommes capables d'utiliser l'ATP comme carburant et de convertir l'énergie chimique en travail, nous pouvons concevoir la prochaine génération de matériaux d'implants capables de changer activement et d'interagir véritablement avec le corps humain."