Aujourd'hui, nous rencontrons couramment des puces RFID sans contact dans un certain nombre de produits, mais une technologie similaire peut-elle être mise en œuvre au niveau moléculaire ? La réponse est oui. Le principe d'encodage moléculaire conçu par Miloslav Polášek et son équipe à l'IOCB Prague représente une nouvelle méthode à la frontière de la chimie et des technologies modernes. Leur article sur le codage paramagnétique des molécules a récemment été publié dans la revue Nature Communications .

Le nouveau principe de codage moléculaire et le prototype d'un tel système moléculaire n'étaient initialement que des idées de science-fiction. Après cinq ans de développement, l'équipe a réussi à créer des molécules aux bonnes caractéristiques, dont la structure est adaptée à l'incorporation d'ions d'éléments métalliques de terres rares, appelés lanthanides. Ces éléments ont des propriétés paramagnétiques spéciales qui permettent de régler la réponse de la molécule dans un champ magnétique. La réponse peut servir de support d'informations numériques et, de manière analogue aux puces RFID, elle peut être lue dans le spectre des radiofréquences au moyen de la résonance magnétique nucléaire. De plus, ces constructions moléculaires peuvent être davantage liées et combinées pour créer un signal de plus en plus complexe mais toujours lisible avec une plus grande capacité d'information numérique.

"Dans notre article pour Nature Communications , nous avons introduit le système le plus simple possible de deux molécules liées, dans lequel nous avons inséré diverses combinaisons d'atomes de deux lanthanides sélectionnés, le dysprosium et l'holmium. Nous avons montré que même avec un système primitif comme celui-là, il est possible de créer quatre signaux uniques et de les utiliser pour générer quinze codes numériques différents », explique Miloslav Polášek, chef du groupe de chimie de coordination à l'Institut de chimie organique et de biochimie du Académie tchèque des sciences / IOCB Prague. "Cela peut sembler peu au début, mais le nombre de codes augmente considérablement à mesure que le nombre d'éléments augmente. Quatre éléments fournissent 65 535 codes, et avec seulement six nous pourrions, par exemple, étiqueter avec des codes uniques tous les billets en euros actuellement en circulation. Considérant que nous pouvons utiliser douze de ces éléments, nous obtenons un outil avec un potentiel immense."

Une construction moléculaire qui permet l'incorporation d'atomes de lanthanide à des endroits précisément définis joue un rôle clé. "Notre groupe travaille avec des chélateurs, qui sont des molécules qui peuvent former des liaisons avec des ions métalliques et les enfermer dans une structure qui ressemble à une cage. Nous avons utilisé un acide aminé pour lier ces cages moléculaires contenant du métal, et nous avons également lié un autre composant à eux qui agissent comme un émetteur dans le champ magnétique et dont la fréquence dépend du type des ions métalliques et de leur ordre », explique Jan Kretschmer, membre de l'équipe de l'IOCB Prague et étudiant à la Faculté des sciences de l'Université Charles.

Miloslav Polášek et son équipe ne sont pas les seuls à s'intéresser à l'utilisation des molécules comme vecteurs d'information; d'autres chercheurs ont surtout recherché des voies inspirées de la biologie, utilisant par exemple l'ADN. L'avantage de l'ADN est sa capacité à contenir des quantités massives d'informations dans une seule molécule. En revanche, un gros inconvénient est sa lecture compliquée, qui nécessite le prélèvement et la manipulation d'un échantillon, ce qui par ailleurs présente un risque de contamination par un ADN différent du milieu environnant. L'avantage fondamental du codage moléculaire paramagnétique est que l'information peut être lue à distance. Le processus de lecture peut être répété indéfiniment sans aucun dommage à la molécule ni épuisement. Les informations sont stockées de manière permanente.

"Lorsque nous avons soumis notre article à la revue pour la première fois, l'un des examinateurs a suggéré que nous fournissions un exemple spécifique d'utilisation de la méthode. Nous avons pris cela comme un défi et réalisé deux expériences. Dans la première, nous avons utilisé notre ensemble de molécules pour coder une image avec le mot « CODE » inscrit dessus, que nous avons ensuite lu par résonance magnétique en collaboration avec l'équipe de Daniel Jirák de l'Institut de médecine clinique et expérimentale. Dans la deuxième expérience, nous avons utilisé une méthode légèrement différente pour encoder le mot "Lanthanide" dans le code numérique", ajoute le Dr Polášek.

Le système moléculaire actuel utilise quatre lanthanides différents et est capable de manière fiable d'encoder sur 16 bits; cependant, un système optimisé utilisant également les lanthanides restants pourrait, en principe, permettre un codage 64 bits ou même supérieur, et cela offrirait des opportunités d'applications dans de nombreux domaines. En principe, il est possible d'étiqueter des objets microscopiques, comme des cellules, ainsi que des objets macroscopiques comme des médicaments ou des billets de banque. L'équipe de Miloslav Polášek prévoit des applications dans les années à venir non seulement pour la chimie et la pharmacie, mais aussi pour la télémédecine et d'autres secteurs axés sur le développement de technologies innovantes. + Explorer plus loin

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