Quatre immenses bras robotiques entourent la coque métallique étincelante de ce qui sera bientôt une automobile haut de gamme. Ils se lancent dans la vie, fixation du capot, les rétroviseurs extérieurs, et autres panneaux. C'est le genre d'opération de précision que vous pouvez trouver dans les usines automobiles du monde entier de nos jours. Mais voici une question qui mérite d'être considérée :pourrions-nous réaliser un exploit comme celui-ci seulement environ un milliard de fois plus petit ?

En 2016, trois pionniers des machines moléculaires ont été récompensés par un prix Nobel. La première tranche de machines moléculaires qu'ils ont été récompensés pour la création étaient pour la plupart des affaires simples telles que des rotors, commutateurs et autres. Maintenant, des chimistes comme le professeur David Leigh de l'Université de Manchester, ROYAUME-UNI., essaient de construire des machines moléculaires sophistiquées avec plusieurs composants et qui peuvent faire des travaux utiles.

Construire une machine moléculaire est un travail pour les chimistes d'élite, mais les astuces de base du métier sont assez faciles à comprendre. Certains d'entre eux impliquent la construction de molécules qui sont mécaniquement liées les unes aux autres. Par exemple, ils pourraient construire un rotaxane, une molécule en forme d'anneau enfilée sur un arbre. Placer différents groupes d'atomes le long de l'arbre, puis manipuler leurs propriétés, par exemple, donner et enlever une charge électrostatique - peut pousser l'anneau à se déplacer le long de l'arbre. C'est le genre de composant simple qui pourrait être utilisé dans une machine moléculaire plus élaborée.

Usine biochimique

Quel genre de choses pourrions-nous faire avec une machine moléculaire plus avancée - ou des "nanobots, " comme certains les appellent ? Le professeur Leigh s'intéresse particulièrement à la construction de nanorobots qui agissent comme une chaîne d'assemblage chimique, synthétiser de nouveaux produits chimiques aux propriétés intéressantes. Il est inspiré par le ribosome, une usine biochimique dans les cellules qui construit des protéines. Il faut des blocs de construction simples appelés acides aminés, qui se déclinent en seulement 20 variétés naturelles différentes, et les assemble en longues chaînes ou en polymères. Selon la séquence d'acides aminés, ces chaînes se replient en une panoplie de biomatériaux, de la kératine qui compose la peau et les cheveux aux fibres des muscles.

Les chimistes ont fabriqué de nombreux polymères artificiels, mais il est extrêmement difficile de contrôler l'ordre dans lequel les blocs de construction sont assemblés. "Les polymères spécifiques à une séquence sont un défi non résolu en chimie, " a déclaré le professeur Leigh. Mais il pense que les machines moléculaires pourraient être une solution. Si nous avions des machines moléculaires capables d'assembler des polymères, ils ne se limiteraient pas aux 20 blocs de construction d'acides aminés naturels, le résultat pourrait donc être une gamme beaucoup plus large de matériaux.

La réalisation de machines capables de fabriquer des polymères à séquence spécifique est loin d'être anodine, explique le professeur de chimie Nathalie Katsonis à l'Université de Groningue aux Pays-Bas. "Mais je suis convaincu que cette recherche jouera un grand rôle dans (l') avenir de la chimie, et peut-être aussi de la science des matériaux."

Le professeur Leigh poursuit cet objectif à travers son projet MOLFACTORY, qui a commencé en 2014. Dans un article clé en 2017, Le professeur Leigh et son équipe ont montré qu'ils pouvaient construire un bras de robot moléculaire, une version simplifiée et beaucoup plus petite de celles qui assemblent les voitures. Ce bras saisit un produit chimique réactif et le déplace vers l'un des deux sites. Selon le site où il est positionné, le produit chimique réagit de différentes manières pour produire différents produits chimiques. Développé plus loin, des machines comme celle-ci pourraient produire des polymères spécifiques à une séquence apparentés aux protéines produites par les ribosomes. Et tout comme différentes protéines peuvent générer de la force (muscle) ou être cinq fois plus fortes que l'acier (soie d'araignée), cela pourrait permettre des choses similaires avec des polymères artificiels tels qu'un polystyrène spécifique à une séquence.

"David et son groupe font un travail incroyablement créatif, " a déclaré le professeur Raymond Astumian de l'Université du Maine à Orono, États-Unis « Non seulement les machines moléculaires qu'ils font sont potentiellement utilisables dans la pratique, mais ils visent aussi à répondre à des questions fondamentales."

Un autre projet, appelé ProgNanoRobot, dirigé par le Dr Germán Zango travaillant dans le laboratoire du professeur Leigh, essayé de pousser ce robot de production plus loin. Le projet avait plusieurs objectifs, y compris la production de bras robotiques pouvant fonctionner avec un combustible chimique et un nano-dispositif capable de transporter une cargaison moléculaire sur de longues distances à l'échelle atomique.

Le projet s'est déroulé entre 2019 et mars 2021 et à ce jour, aucun résultat n'est publié. Mais le Dr Zango a eu quelques succès clés. Il a dit qu'il a produit un appareil dans lequel une cargaison moléculaire pourrait être produite d'un bras robotique à un autre, atteindre l'objectif de transport sur de longues distances.

"Travailler sur des recherches qui pourraient nous conduire vers l'aube d'une nanotechnologie moléculaire utile était à la fois un énorme défi et une expérience passionnante, " a déclaré le Dr Zango.

Déclencheurs

Dans le futur proche, il y a plusieurs grands défis que la recherche sur les nanobots doit surmonter. À l'heure actuelle, il arrive souvent que les machines moléculaires doivent être alimentées par un certain nombre de déclencheurs chimiques dans une série particulière pour les faire fonctionner. Si les systèmes devaient être utilisés pour produire des polymères à grande échelle, cela produirait beaucoup de déchets. Une partie des travaux du Dr Zango a porté sur la réduction du nombre de déclencheurs chimiques nécessaires ou sur l'utilisation de la lumière comme déclencheur à la place. "L'une des choses les plus difficiles que nous essayions de réaliser était d'utiliser un seul produit chimique pour alimenter tout un cycle de fonctionnement de la machine ou d'utiliser uniquement des photocommutateurs, " a déclaré le Dr Zango.

Un autre grand défi, dit le professeur Leigh, est la correction d'erreur. Les machines à l'échelle nanométrique sont très différentes des robots à l'échelle humaine en ce sens qu'elles sont toujours soumises à la stochasticité; vous pouvez configurer une machine moléculaire pour faire un travail particulier, mais vous ne pouvez jamais vous assurer qu'il fonctionnera correctement tout le temps. La biologie doit s'attaquer à ce problème, trop. Dans le corps humain, il existe un ensemble de machines moléculaires qui construisent des biomolécules et un autre ensemble complet avec le travail spécifique de trouver et de corriger les erreurs commises par le premier ensemble. Le professeur Leigh dit qu'à un moment donné, les machines moléculaires artificielles devront inclure des mécanismes de correction d'erreurs. Ce genre de travail en est encore à ses balbutiements.

Toujours, en octobre 2020, Le professeur Leigh et son équipe ont franchi une étape importante vers un synthétiseur de polymères à séquence spécifique. Ils ont construit un robot à base de rotaxane dans lequel un anneau « marche » sur une piste, ramasser des molécules en cours de route et les assembler. Les résultats n'ont réuni que quatre molécules, loin des centaines ou des milliers d'une protéine, mais c'était néanmoins un grand pas.

Le professeur Leigh a déclaré qu'il peut parfois sembler qu'il y ait un battage médiatique sur ce que les machines moléculaires peuvent faire. Mais il estime que cela sera justifié à long terme. "Je pense vraiment que les machines moléculaires finiront par révolutionner les choses comme la révolution industrielle ou Internet l'ont fait, " a-t-il dit. Mais cela va certainement prendre du temps, il ajouta.

Il admet qu'il ne peut encore rien faire avec une machine moléculaire qui ne puisse être fait plus simplement par d'autres moyens. Mais quand tu inventes quelque chose de nouveau, c'est un peu à prévoir. "C'est un peu comme un homme de l'âge de pierre qui fabriquait une roue pour moudre du maïs, " a déclaré le professeur Leigh. "Il ne sait pas qu'un jour il sera utilisé pour fabriquer une voiture."