Une nouvelle façon de prédire le résultat des réactions pourrait conduire à une découverte plus rapide de nouveaux matériaux, notamment pour la détection, catalyse, et l'administration de médicaments.

Les enzymes exécutent des processus chimiques et biologiques essentiels en introduisant des biomolécules dans des cavités au sein de leurs structures et en facilitant des réactions importantes. Les chimistes ont tenté d'imiter cela avec des « cages moléculaires », des structures chimiques qui contiennent des cavités qui peuvent lier des molécules plus petites à l'intérieur, appelés « invités ».

Ces cages moléculaires ont le potentiel d'agir comme des imitateurs artificiels d'enzymes et il a été démontré qu'elles accélèrent des réactions importantes telles que l'hydrolyse des liaisons amides, dégradation des toxines et une gamme de transformations chimiques. L'amélioration de ces réactions pourrait un jour conduire au développement de nouvelles technologies dans des domaines tels que la détection chimique.

Cependant, il peut être difficile pour les chercheurs de concevoir des structures qui seront utiles et synthétisées avec succès en laboratoire. Maintenant, des chercheurs du département de chimie de l'Imperial College de Londres ont utilisé une approche informatisée pour prédire les résultats des réactions de construction de cages avec une grande précision.

Cela aidera les chimistes à sélectionner les blocs de construction idéaux pour préparer des cages avec des structures et des propriétés souhaitables avant d'essayer de les synthétiser en laboratoire, minimiser les expérimentations infructueuses. L'étude est publiée aujourd'hui dans Angewandte Chemie Édition Internationale .

De nouveaux blocs de construction

Actuellement, pour simplifier leur synthèse, la plupart des cages et leurs cavités sont très symétriques. Cependant, cela limite la conception de cages pour les molécules invitées potentielles. Cela contraste avec la capacité des enzymes naturelles à être hautement sélectives dans lesquelles les molécules peuvent se lier avec elles.

Les chercheurs de l'Impériale développent des moyens d'assembler des cages avec une symétrie plus faible, permettant des formes de cavité plus spécifiques aux clients, en utilisant des composants plus complexes dans leur construction. En utilisant des blocs de construction asymétriques, des cages « bancales » avec des formes de cavité intéressantes peuvent être créées.

Cependant, les blocs de construction asymétriques sont plus difficiles à créer parce que les résultats des réactions « d'auto-assemblage » nécessaires pour les construire sont plus difficiles à prévoir. Des réactions ratées peuvent entraîner la formation d'une molécule indésirable, voire un mélange de produits, plutôt que la structure cible unique.

Tout cela signifie que la construction de nouvelles cages peut être un processus d'essais et d'erreurs long et coûteux, avec beaucoup d'efforts inutiles.

La nouvelle approche analyse plutôt des modèles informatiques de cages potentielles pour faire des prédictions sur leur auto-assemblage. Les prédictions utilisent l'énergie et la géométrie des cages construites par calcul et sont de bons guides pour savoir si un processus d'auto-assemblage conduira à une structure unique. Ces informations peuvent ensuite être utilisées pour sélectionner des molécules cage cibles à préparer en laboratoire.

Co-auteur de l'étude, le Dr Jamie Lewis, du Département de chimie de l'Impériale, a dit qu'"auparavant, nous avons juste dû entrer dans le laboratoire et essayer beaucoup de choses jusqu'à ce que quelque chose fonctionne. Maintenant, nous pouvons exécuter quelques calculs rapides, identifier les cages aux propriétés utiles, et soyez confiant que nous pouvons les synthétiser sans aucun problème."

Puissance de prédiction

L'équipe a utilisé un logiciel appelé stk, précédemment développé à l'Impériale, pour construire les modèles de calcul. En plus d'avoir un grand pouvoir de prédiction, les calculs sont aussi très rapides, ne prenant que quelques heures sur un PC de bureau courant.

Auteur principal de l'étude Dr Andrew Tarzia, du Département de chimie de l'Impériale, a déclaré que "l'efficacité de notre approche est la clé car elle nous permet de tester sur un ordinateur beaucoup plus de blocs de construction en une semaine que ce qui pourrait être testé en laboratoire et avec plus de diversité également".

Sur la base des données de calcul, l'équipe a sélectionné un certain nombre de blocs de construction à synthétiser en laboratoire. Ils ont découvert que l'approche prédisait avec succès les résultats expérimentaux du processus d'auto-assemblage.

Cela leur a permis de préparer plusieurs nouvelles « cages bancales » à faible symétrie qui n'avaient jamais été synthétisées auparavant, et vérifié l'utilité des calculs pour prédire quelles molécules se formeraient.

L'équipe continue maintenant de développer et d'améliorer cette approche pour synthèse efficace pour accéder à de nouvelles cages moléculaires. Avec la capacité de prédire rapidement quelles cages peuvent être facilement préparées en laboratoire, ils espèrent l'utiliser pour fabriquer de nouveaux matériaux avec un large éventail d'applications dans la détection, catalyse, stockage de gaz et livraison de médicaments.