Crenarchaeol est un grand, lipide en boucle fermée présent dans les membranes des archées oxydant l'ammonium, une forme de vie unicellulaire qui existe de manière omniprésente dans les océans. En comparaison avec d'autres lipides membranaires archéens, crénarchaeol est très complexe et, jusque là, les tentatives pour confirmer sa structure en synthétisant la molécule entière ont été infructueuses. Des chimistes organiques de l'Université de Groningue ont relevé ce défi et ont découvert que la structure proposée pour la molécule était en grande partie, mais pas entièrement, correct.

Le crénarchaeol contient 86 atomes de carbone et est un macrocycle, une grande boucle fermée. Pas moins de 22 positions dans la molécule sont chirales. La molécule peut être présente sous deux formes qui sont l'image miroir l'une de l'autre, comme une main gauche et une main droite. Dans la molécule de crénarchéol, les 22 centres chiraux ont leur propre « latéralité » spécifique. Par ailleurs, crenarchaeol contient un groupe cyclohexane très rare.

Défi

Cette molécule complexe a été isolée pour la première fois en 2002 par Jaap Sinninghe Damsté et ses collègues du Royal Netherlands Institute for Sea Research, NIOZ. Ils ont identifié sa structure à l'aide de techniques spectroscopiques mais leur résultat n'a jamais été confirmé. Ceci est surprenant car les archées oxydant l'ammonium jouent un rôle clé dans le cycle de l'azote océanique et le crénarchaeol fossile et ses lipides compagnons sont largement utilisés par les paléontologues moléculaires pour reconstituer les températures marines passées. « La structure des crénarchéols est un formidable défi pour la chimie organique de synthèse, " dit Adri Minnaard, Professeur de chimie organique à l'Université de Groningue. "Et nous avons décidé de le prendre."

D'abord, 3 milligrammes du composé naturel ont été isolés et purifiés au NIOZ, qui a duré environ trois mois. Il n'y a que de petites quantités de crénarchaeol dans chaque cellule, seulement 0,000000001 gramme, mais parce qu'il y a tellement de ces cellules dans les océans du monde et que la molécule est très stable et s'est accumulée dans les sédiments pendant des millions d'années, on pense qu'il s'agit de l'une des molécules organiques les plus abondantes dans les sédiments marins.

Mont Everest

Il y a plusieurs problèmes avec la synthèse de crénarchaeol; obtenir tous les centres chiraux dans la bonne orientation est l'un d'entre eux. "Et la molécule contient beaucoup de liaisons carbone-carbone, qui sont difficiles à construire. » Mais c'est un défi auquel un chimiste organique synthétique ne peut pas résister, tout comme un alpiniste ambitieux ne peut pas résister au mont Everest. Minnaard a montré la structure à son doctorante Mira Holzheimer, qui a travaillé sur des réactions synthétiques catalysées par le palladium. "Sa réponse littérale a été :'Je veux gravir cette montagne'." Ils ont fait un plan d'attaque sur papier, qui impliquait de séparer la molécule dans les blocs de construction qui pourraient être synthétisés. Cela a produit une voie provisoire vers la synthèse de molécules complètes de crénarchaeol, qu'Holzheimer a exploré.

Comme pour gravir une montagne pour la première fois, le parcours synthétique qu'ils avaient conçu au départ menait parfois à une impasse. Cela impliquait de revenir sur ces étapes et d'essayer une nouvelle approche. "Vous commencez avec plusieurs grammes de composés de base. Mais dans chacune des plus de 65 étapes intermédiaires, vous perdez du matériel, parfois jusqu'à 50 pour cent. Et si vous manquez d'intermédiaires, il faut refaire tout le chemin en arrière, " explique Minnaard.

Choc

Après trois ans de travail acharné, Holzheimer avait produit une grande partie de la molécule, environ la moitié du macrocycle. Minnaard :« A ce stade, nous avons décidé de le comparer à la partie correspondante du crénarchaeol naturel." Cela a été fait en utilisant la chromatographie en phase gazeuse couplée-spectrométrie de masse. La comparaison a été faite au NIOZ et les résultats ont été un choc. "Nous avons synthétisé le bon squelette carboné, mais le comportement chromatographique n'était pas le même que celui du crénarchaeol naturel. Quelque chose n'allait pas, " se souvient Minnaard.

Après deux jours de vérification, Minnaard et Holzheimer ont conclu qu'ils avaient vraiment fait la structure proposée. Et comme il ne s'accordait pas complètement avec le crénarchaeol naturel, cela ne pouvait signifier qu'une chose :la structure proposée n'était pas tout à fait correcte. Les résultats pointaient vers l'un des centres chiraux du groupe inhabituel du cyclohexane. "Nos collaborateurs de NIOZ n'ont mal attribué qu'un seul centre chiral sur 22." La correction de la structure a été étayée par des calculs sur les spectres des crénarchaeols naturels et préparés, qui ont été réalisées par le professeur Remco Havenith et le Dr Ana Da Cunha. Minnaard. "Cela montre la valeur de la chimie de synthèse :la construction d'une structure proposée est l'étalon-or pour la validation."

De l'art

Une construction aussi complexe qu'avec le crénarchaeol apporte des bénéfices supplémentaires :« Nous avons dû développer de nouveaux outils synthétiques, qui sont maintenant ajoutés à la boîte à outils de synthèse organique. avoir la bonne structure est pertinent pour les scientifiques qui étudient les membranes archéennes. Cela se fait généralement par simulation de dynamique moléculaire, explique Minnaard, et la structure tout à fait correcte est maintenant disponible. Pourtant, ce gain n'est pas la plus grande motivation de Minnaard pour entreprendre ces projets. "Cela n'a pas toujours besoin d'avoir un but. Pour moi, construire des molécules peut être de l'art."