La régulation spatio-temporelle des réactions enzymatiques en plusieurs étapes par compartimentation est essentielle dans les études qui imitent les systèmes naturels tels que les cellules et les organites. Jusqu'à présent, les scientifiques utilisaient des liposomes, des vésicules ou des polymersomes pour séparer physiquement les différentes enzymes dans des compartiments, qui fonctionnent comme des "organelles artificielles". Mais maintenant, une équipe dirigée par le directeur KIM Kimoon au Centre d'auto-assemblage et de complexité de l'Institut des sciences fondamentales de Pohang, en Corée du Sud, a démontré avec succès la même régulation spatio-temporelle des réactions chimiques en n'utilisant que le son audible, qui est complètement différent de les méthodes précédentes mentionnées ci-dessus. Leur étude paraît dans Nature Communications .

Le son est largement utilisé en physique, en science des matériaux et dans d'autres domaines, mais a rarement été utilisé en chimie. En particulier, le son audible (dans la gamme de 20 à 20 000 Hz) n'a pas été utilisé jusqu'à présent dans les réactions chimiques en raison de sa faible énergie. Cependant, pour la première fois, le même groupe de l'IBS avait déjà démontré avec succès la régulation spatio-temporelle des réactions chimiques par une dissolution sélective des gaz atmosphériques via des ondes stationnaires générées par le son audible en 2020.

Plus tard, ils ont observé de près le mouvement de la solution induit par le son audible et ont constaté que la solution était séparée et non mélangée en raison de la région nodale de l'onde comme si les différentes couches étaient bloquées par un mur invisible. Ils ont appelé ce domaine transitoire de la solution créé par la pseudo-compartimentation du son audible et l'ont utilisé pour contrôler les réseaux de réaction en cascade à base d'enzymes dans une solution. Dans ce phénomène, le flux de fluide induit dans un récipient vibrant de haut en bas par un son audible ne se mélange pas autour du nœud de l'onde, et en tant que tel, la solution devient naturellement compartimentée.

Cette nouvelle découverte a inspiré le groupe à utiliser ce phénomène pour tenter une régulation spatio-temporelle des réactions enzymatiques à plusieurs étapes. Normalement, cela nécessite la création de compartiments artificiels à l'aide de lipides ou de polymères, mais le groupe de Kim a montré que cela peut être possible en utilisant uniquement un son audible. Pour y parvenir, ils ont conçu un système astucieux en tirant parti du fait que l'oxygène de l'air n'est dissous que dans la région du ventre de la solution vibrante (Figure 1).

Pour tester ce système, le groupe Kim a effectué une réaction enzymatique en plusieurs étapes composée de glucose oxydase (GOx) et de peroxydase de raifort (HRP). Dans la première étape, l'enzyme GOx catalyse l'oxydation du glucose et produit du peroxyde d'hydrogène. Ce peroxyde est ensuite utilisé par l'enzyme HRP pour alimenter la deuxième étape, qui implique l'oxydation du colorant ABTS incolore en radical ABTS de couleur cyan. Les chercheurs sauraient que leur système fonctionnait comme prévu si la couleur cyan apparaissait dans des régions spécifiques de la solution.

Comme prévu, les auteurs ont pu observer visuellement des motifs d'anneaux concentriques de couleur cyan, ce qui a confirmé qu'ils ont réussi le contrôle spatio-temporel de la réaction en cascade GOx-HRP en utilisant uniquement un son audible (Figure 2). Les auteurs ont en outre montré que cette méthode peut être étendue pour contrôler la croissance in situ induite par l'oxydo-réduction ou l'auto-assemblage sensible au pH de nanoparticules dans les domaines spatio-temporels présents dans la solution. (Figure 3A). En outre, les auteurs ont également présenté la préparation d'hydrogels à motifs de nanoparticules, qui contenaient des particules auto-assemblées uniquement dans des régions sélectionnées. Ces gels peuvent être utilisés dans des plates-formes de croissance cellulaire spécifiques à une région (Figure 3B).

"Cette nouvelle approche utilisant le son audible fournira une stratégie totalement nouvelle et fiable pour contrôler les processus chimiques dans des pseudo-compartiments prévisibles mais générés de manière transitoire au sein d'une solution", explique le directeur Kim. + Explorer plus loin

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