Dans une découverte aux implications de grande envergure, des chercheurs de l'Université du Massachusetts à Amherst ont récemment annoncé dans les Actes de l'Académie nationale des sciences que des macromolécules uniformément chargées - ou des molécules, telles que des protéines ou de l'ADN, qui contiennent un grand nombre d'atomes ayant tous la même charge électrique - peuvent s'auto-assembler en très grandes structures. Cette découverte bouleverse notre compréhension de la façon dont certaines des structures de base de la vie sont construites.

Traditionnellement, les scientifiques ont compris les chaînes polymères chargées comme étant composées d'unités plus petites et uniformément chargées. De telles chaînes, appelées polyélectrolytes, affichent des comportements prévisibles d'auto-organisation dans l'eau :elles se repoussent parce que des objets chargés de manière similaire n'aiment pas être proches les uns des autres. Si vous ajoutez du sel à de l'eau contenant des polyélectrolytes, les molécules s'enroulent, car la répulsion électrique des chaînes est masquée par le sel.

Cependant, "le jeu est très différent lorsque vous avez des dipôles", déclare Murugappan Muthukumar, professeur Wilmer D. Barrett en science et ingénierie des polymères à UMass Amherst, auteur principal de l'étude.

Alors que de nombreuses molécules ont une charge positive ou négative, les dipôles ont les deux. Cela signifie que les polymères composés de dipôles se comportent très différemment des polyélectrolytes plus familiers, qui ont une charge électrique positive ou négative :ils se dilatent dans une solution saline et peuvent former des réticulations avec d'autres chaînes de polymères dipolaires, ce qui conduit alors à la formation de structures polymères complexes.

Di Jia, qui a terminé cette recherche dans le cadre de sa formation postdoctorale à l'UMass Amherst et est l'auteur principal de l'étude, déclare que "les dipôles peuvent faire en sorte que les polyélectrolytes se comportent davantage comme des polyzwitterions, qui présentent un" effet anti-polyélectrolyte ". Cet effet est également une caractéristique des polyzwitterions chimiques traditionnels, dont les dipôles sont constitués de liaisons chimiques. Par conséquent, pour les polyzwitterions physiques dans des solutions diluées, la taille du polymère augmente avec l'augmentation de la force ionique, présentant une transition globule-bobine due aux interactions dipôles intra-chaîne."

Les polymères dipolaires sont capables de former des structures complexes et autorégulatrices qui pourraient être utilisées dans tout, des systèmes d'administration de médicaments aux polymères de nouvelle génération. "Nous théorisons que ces forces dipolaires dans les macromolécules chargées jouent un rôle important dans presque tous les processus d'assemblage biologiques, tels que la naissance spontanée d'organites sans membrane", explique Muthukumar.

De plus, ces polymères composés de dipôles présentent un état « intermédiaire », appelé « mésomorphisme ». À l'état mésomorphe, les polymères ne sont ni largement dispersés ni étroitement enroulés, mais rassemblés en grandes structures stables et uniformes qui ont la capacité de "s'auto-empoisonner" ou de se dissoudre.

"L'importance de la découverte que les dipôles pilotent l'assemblage des polymères est immense", déclare Muthukumar, "car elle jette un nouvel éclairage sur l'un des mystères fondamentaux des processus de la vie", ou comment les matériaux biologiques savent s'auto-assembler en éléments cohérents, ouvrages stables. "La théorie change le paradigme de la façon dont nous pensons à ces systèmes et met en évidence le rôle non reconnu que jouent les dipôles dans l'auto-assemblage des matériaux biologiques." + Explorer plus loin

Assemblage de matériaux à l'aide de polymères chargés