Dans les organismes supérieurs, les cellules et les organites sont entourés d'une membrane, qui joue un rôle crucial non seulement en créant une barrière vis-à-vis de l'environnement extérieur, mais également en facilitant l'échange de fluides, électrolytes, protéines, et autre matériel utile. D'habitude, ces membranes sont composées de couches hydrofuges formées de molécules lipidiques, avec diverses protéines « transmembranaires » intégrées dans cette feuille à double couche. Ces protéines sont assemblées de manière à créer des « portes » ou des « canaux » uniques qui s'ouvrent et se ferment en réponse à des molécules ou des ions sélectifs dans des conditions spécifiques. Ces propriétés de sélectivité et de capacité de détection d'une membrane biologique proviennent de sa structure sophistiquée, et ensemble, ils font de ces membranes un modèle attrayant pour la synthèse de nouveaux matériaux utilisés pour développer des dispositifs de détection et de séparation avancés. Cependant, développer artificiellement de tels assemblages moléculaires - qui peuvent s'assembler dans une membrane dans une orientation fonctionnellement active - est resté un défi jusqu'à présent.

Faire avancer la recherche sur les molécules artificielles, dans une étude publiée dans Communication Nature , des scientifiques de Tokyo Tech ont développé un canal synthétique qui peut imiter l'activité de transport d'ions des canaux ioniques naturels. Prof Kazushi Kinbara et Prof Takahiro Muraoka, les co-auteurs de l'étude, Explique, "Un obstacle majeur qui limite l'application de molécules transmembranaires artificielles est d'atteindre l'orientation fonctionnellement active. Nous avons essayé de créer une molécule transmembranaire qui surmonterait cette difficulté."

Pour atteindre cet objectif, les scientifiques se sont concentrés sur la structure d'un canal ionique biologique qui traverse la membrane plusieurs fois, et l'a utilisé comme base pour concevoir deux molécules artificielles. Ces molécules étaient composées à la fois de blocs structuraux hydrofuges, appelé unité BPO, et des parties hydrosolubles appelées chaînes oligoéthylène glycol. Ces caractéristiques structurelles confèrent à ces molécules artificielles la capacité de s'auto-agréger lorsqu'elles sont intégrées dans des membranes. Les molécules contenaient également des groupes phosphate qui les aidaient davantage à obtenir l'orientation correcte à travers les membranes.

Prochain, les scientifiques se sont concentrés sur l'une des deux molécules, pour analyser ses propriétés structurelles. Ils ont observé que lorsque des molécules de « ligand » appropriées ressemblant à des appâts étaient ajoutées à une solution contenant la molécule artificielle, ils se sont liés avec succès à la structure, confirmant que la structure était bien fonctionnellement active. De plus, lorsque ces molécules ont été introduites dans une membrane préformée, ils pourraient s'insérer et s'orienter dans la membrane par eux-mêmes. En présence des ligands spécifiques, les macromolécules membranaires ont modifié leurs structures et transporté des ions, dont le lithium, potassium, et des ions sodium. Parce que la molécule synthétique a montré des résultats prometteurs avec des membranes artificielles, les scientifiques l'ont ensuite testé dans des cellules vivantes. En utilisant une technique appelée microscopie à fluorescence, ils ont observé que la macromolécule présentait les mêmes propriétés fonctionnelles, y compris les activités de liaison différentielle de ligands et de transport d'ions régulé, dans les membranes biologiques aussi !

Pris ensemble, l'étude montre comment une molécule conçue artificiellement peut s'auto-assembler, localiser, Orient, et imiter le processus de transport biologique des ions. Ces découvertes peuvent potentiellement stimuler des avancées dans le domaine de la régulation biomimétique. Les auteurs concluent avec optimisme, "Les résultats prometteurs de notre étude ont abordé une limitation persistante qui a bloqué la manière d'utiliser des protéines membranaires biomimétiques artificielles dans les domaines appliqués."