La synthèse et l'auto-organisation des macromolécules biologiques sont essentielles à la vie sur terre. Les chimistes de l'Université Ludwig Maximilian de Munich rapportent maintenant l'émergence spontanée de macromolécules complexes en forme d'anneau avec de faibles degrés de symétrie en laboratoire.

Monomères, des molécules constituées de plusieurs sous-unités répétitives qui peuvent varier ou non dans leur structure chimique, sont classés comme macromolécules ou polymères. Des exemples existent dans la nature, y compris les protéines et les acides nucléiques, qui sont au cœur de tous les systèmes biologiques. Les protéines ne forment pas seulement la base des éléments structurels des cellules, ils servent également d'enzymes, qui catalysent essentiellement toutes les myriades de transformations chimiques qui ont lieu dans les systèmes vivants.

En revanche, les acides nucléiques tels que l'ADN et l'ARN servent de macromolécules informationnelles. L'ADN stocke l'information génétique de la cellule, qui est sélectivement copié dans des molécules d'ARN qui fournissent les modèles pour la synthèse des protéines. En outre, les longues chaînes composées d'unités de sucre fournissent des réserves d'énergie sous forme de glycogène, qui est stocké dans le foie et les muscles. Ces diverses classes de molécules polymères ont toutes une caractéristique en commun :elles se replient spontanément en conformations spatiales caractéristiques, par exemple la fameuse double hélice d'ADN, qui dans la plupart des cas sont essentiels pour leurs fonctions biochimiques.

Professeur Ivan Huc (Département de Pharmacie, LMU) étudie les aspects des processus d'auto-organisation qui permettent aux macromolécules d'adopter des formes pliées définies. Les structures moléculaires trouvées dans la nature lui fournissent des modèles, dont il essaie de reproduire les propriétés en laboratoire avec des molécules non naturelles qui ne sont ni des protéines, acides nucléiques ou de type sucre. Plus précisement, il utilise les outils de la chimie synthétique pour élucider les principes sous-jacents de l'auto-organisation en construisant des molécules expressément conçues pour se plier en des formes prédéterminées. A partir des monomères que son groupe a développés, il entreprend de produire ce qu'il appelle des 'foldamers, " en assemblant les monomères un à un pour générer une macromolécule repliée.

Structures à faibles degrés de symétrie

"La façon normale d'obtenir la structure complexe des protéines est d'utiliser différents types de monomères, appelés acides aminés, " comme le rapporte Huc. " Et la méthode normale pour connecter différents acides aminés dans le bon ordre est de les lier un par un. " La séquence d'acides aminés contient les informations de repliement qui permettent à différentes séquences de protéines de se replier de différentes manières.

"Mais nous avons découvert quelque chose d'inattendu et de spectaculaire, " dit Huc. Lui et ses collègues à Munich, Groningue, Bordeaux et Berlin ont utilisé le bio, des monomères soufrés pour obtenir spontanément des macromolécules cycliques de forme complexe, comme l'illustre leur faible degré de symétrie, sans nécessiter une séquence spécifique. Les macromolécules s'auto-synthétisent - aucune autre condition n'est nécessaire. "Nous ne mettons qu'un seul type de monomère dans un flacon et attendons, " dit Huc. "Ceci est typique pour une réaction de polymérisation, mais les polymères d'un seul monomère n'adoptent généralement pas de formes complexes et n'arrêtent pas de croître à une longueur de chaîne précise."

Pour mieux contrôler la réaction, les scientifiques ont également utilisé soit une petite molécule invitée, soit un ion métallique. Le régulateur se lie à la macromolécule en croissance et amène les monomères à s'organiser autour d'elle. En choisissant un régulateur aux caractéristiques adaptées, les auteurs de la nouvelle étude ont pu produire des structures avec un nombre prédéterminé de sous-unités. Les macromolécules cycliques présentaient de faibles niveaux de symétrie. Certains se composaient soit de 13, 17 ou 23 sous-unités. Depuis 13 ans, 17 et 23 sont des nombres premiers, les formes pliées correspondantes présentent de faibles degrés de symétrie.

Un modèle pour les procédés biologiques et industriels

L'intérêt pour l'élucidation de tels mécanismes ne se limite pas au domaine de la recherche fondamentale. Huc et ses collègues espèrent que leur approche conduira à la fabrication de plastiques design. Les polymères conventionnels sont généralement constitués de mélanges de molécules dont la longueur varie (c'est-à-dire le nombre de monomères qu'ils contiennent). Cette hétérogénéité a un impact sur leurs propriétés physiques. D'où, la capacité de synthétiser des chaînes polymères d'une longueur et/ou d'une géométrie exacte devrait conduire à des matériaux aux comportements nouveaux et intéressants.

Par ailleurs, les foldamères comme ceux qui ont maintenant été synthétisés présentent des ressemblances structurelles étroites avec les biopolymères. Ils offrent donc un système modèle idéal pour étudier les propriétés des protéines. Chaque protéine est constituée d'une séquence linéaire définie (c'est-à-dire non ramifiée) d'acides aminés, qui constitue sa « structure primaire ». Mais la plupart des chaînes d'acides aminés se replient dans des sous-structures locales telles que des tronçons enroulés en hélice, ou des brins parallèles pouvant former des nappes. Ces unités représentent la structure secondaire de la protéine. Le terme « structure tertiaire » s'applique à la chaîne unique entièrement pliée. Cela peut à son tour interagir avec d'autres chaînes pour former une unité fonctionnelle ou une structure quaternaire.

Le but ultime de Huc est d'imiter des mécanismes biologiques complexes à l'aide de structures définies, précurseurs synthétiques. Il veut comprendre comment, par exemple, les enzymes se replient dans le bon, conformation biologiquement active suite à leur synthèse dans les cellules. Des molécules dont les propriétés peuvent être contrôlées avec précision en laboratoire constituent des modèles idéaux pour élaborer des réponses et peut-être aller au-delà des enzymes elles-mêmes.

L'étude est publiée dans Chimie de la nature .