Sur la chaîne de nano-assemblage, de minuscules tubes biologiques appelés microtubules servent de transporteurs pour l'assemblage de plusieurs objets moléculaires. Crédit :Samuel Hertig
Voitures, les avions et de nombreux produits électroniques sont désormais construits à l'aide de chaînes de montage sophistiquées. Chariots de montage mobiles, sur laquelle sont fixés les objets, sont une partie importante de ces chaînes de montage. Dans le cas d'une carrosserie, les éléments d'assemblage sont fixés en différentes étapes de travail disposées selon une séquence spatiale et chronologique précise, résultant en un véhicule complet en bout de ligne.
La création d'une telle chaîne de montage au niveau moléculaire est un rêve de longue date de nombreux nanoscientifiques. « Cela nous permettrait d'assembler de nouvelles substances ou matériaux complexes pour des applications spécifiques, " dit le professeur Viola Vogel, chef du laboratoire de mécanobiologie appliquée à l'ETH Zurich. Vogel a travaillé sur ce projet ambitieux avec son équipe et a récemment fait une percée. Dans un article publié dans le dernier numéro de la Royal Society of Chemistry's Laboratoire sur puce journal, les chercheurs de l'ETH ont présenté une ligne d'assemblage moléculaire comportant tous les éléments d'une ligne de production conventionnelle :un support d'assemblage mobile, un objet d'assemblage, composants d'assemblage fixés à divers postes d'assemblage et un moteur (y compris le carburant) pour le support d'assemblage pour transporter l'objet d'un poste d'assemblage à l'autre.
Ligne de production trois fois plus fine qu'un cheveu
Au niveau nano, la chaîne d'assemblage se présente sous la forme d'une plate-forme microfluidique dans laquelle une solution aqueuse est pompée. Cette plate-forme est essentiellement un système de canaux dont le canal principal ne fait que 30 micromètres de large, soit trois fois plus mince qu'un cheveu humain. Plusieurs entrées et sorties conduisent vers et depuis le canal à angle droit. La plate-forme a été développée par Dirk Steuerwald, doctorant de Vogel's, et le prototype a été créé dans la salle blanche de l'IBM Research Zurich à Rüschlikon.
Le système canalaire est équipé d'un tapis fait de la protéine motrice kinésine. Cette protéine a deux têtes mobiles qui sont déplacées par la molécule riche en énergie ATP, qui alimente les cellules humaines et autres formes de vie en énergie et en fait donc le carburant de choix dans ce système artificiel.
Le support d'assemblage se déplace à travers plusieurs chambres de réaction où différentes molécules se lient à sa surface. Le graphique ci-dessous montre la trajectoire d'une seule navette. Crédit :de Steuerwald et al. 2014
Assembler les molécules pas à pas
Les chercheurs de l'ETH ont utilisé des microtubules comme supports d'assemblage. Les microtubules sont des polymères protéiques en forme de chaîne qui, avec la kinésine, transportent une cargaison autour des cellules. Avec ses têtes mobiles, la kinésine se lie aux microtubules et les propulse vers l'avant le long de la surface de l'appareil. Cette propulsion est en outre soutenue par le courant généré par le fluide pompé dans le système de canaux. Cinq entrées et sorties dirigent le courant dans le canal principal et le divisent en segments strictement séparés :une zone de chargement, d'où partent les porteurs d'assemblage, deux stations de montage et deux stations terminales, où la cargaison est livrée.
Les chercheurs peuvent ajouter les objets au système via les lignes qui alimentent les segments d'assemblage. Dans leurs travaux les plus récents, ils ont testé le système en utilisant NeutrAvidin, la première molécule qui se lie à la nano-navette. Un deuxième composant - un seul, brin court de matériel génétique (ADN) - se lie ensuite à la NeutrAvidin, créant un petit complexe moléculaire.
Les applications techniques sont encore loin
Bien que l'équipe de Vogel's ait réalisé un rêve de longue date avec ce travail, le professeur de l'ETH reste prudent :« Le système n'en est qu'à ses balbutiements. On est encore loin d'une application technique. Vogel pense qu'ils ont simplement montré que le principe fonctionne.
Elle souligne que bien que la construction d'un tel système de nanonavette moléculaire puisse sembler facile, beaucoup d'efforts créatifs et de connaissances provenant de différentes disciplines sont investis dans chaque élément du système. La création d'une unité fonctionnelle à partir de composants individuels reste un grand défi. "Nous avons beaucoup réfléchi à la manière de concevoir les propriétés mécaniques des liaisons pour lier la cargaison aux navettes, puis la décharger à nouveau au bon endroit."
L'utilisation de moteurs biologiques pour des applications techniques n'est pas aisée. Les moteurs moléculaires tels que la kinésine doivent être retirés de leur contexte biologique et intégrés dans une entité artificielle sans aucune perte de leur fonctionnalité. Les chercheurs ont également dû réfléchir à la manière de construire les supports d'assemblage et à quoi ressembleraient les « pistes » et les stations d'assemblage. "Ce sont tous des problèmes séparés que nous avons maintenant réussi à combiner en un tout fonctionnel, " dit Vogel.
Produits sophistiqués de la chaîne de nano-assemblage
Les chercheurs envisagent de nombreuses applications, y compris la modification sélective de molécules organiques telles que les protéines et l'ADN, l'assemblage de composants nanotechnologiques ou de petits polymères organiques, ou l'altération chimique des nanotubes de carbone. « Nous devons continuer à optimiser le système et en savoir plus sur la façon dont nous pouvons concevoir les composants individuels de ce système de nano-navette pour rendre ces applications possibles à l'avenir, ", déclare la professeure de l'ETH. Les conditions pour la poursuite des recherches dans ce domaine sont excellentes :son groupe fait désormais partie du nouveau PRN de Bâle – Ingénierie des systèmes moléculaires :Ingénierie des modules moléculaires fonctionnels aux usines.
