S'inspirer de la nature, une équipe de scientifiques de la Northwestern University est la première à développer une pompe moléculaire entièrement artificielle, dans lequel les molécules pompent d'autres molécules. Cette petite machine n'est pas une mince affaire. La pompe pourrait un jour être utilisée pour alimenter d'autres machines moléculaires, comme les muscles artificiels.

La nouvelle machine imite le mécanisme de pompage des protéines vitales qui déplacent de petites molécules autour des cellules vivantes pour métaboliser et stocker l'énergie des aliments. Pour sa nourriture, la pompe artificielle tire son énergie de réactions chimiques, conduire les molécules étape par étape d'un état de basse énergie à un état de haute énergie, loin de l'équilibre.

Alors que la nature a eu des milliards d'années pour perfectionner sa machinerie moléculaire complexe, la science moderne commence seulement à effleurer la surface de ce qui pourrait être possible dans le monde de demain.

"Notre pompe moléculaire est la chimie radicale, un moyen ingénieux de transférer l'énergie d'une molécule à l'autre, à la manière de la nature, " dit sir Fraser Stoddart, l'auteur principal de l'étude. Stoddart est professeur de chimie au conseil d'administration du Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern.

"Tous les organismes vivants, y compris les humains, doivent transporter et redistribuer en permanence des molécules autour de leurs cellules, utilisant des protéines porteuses vitales, ", a-t-il déclaré. "Nous essayons de recréer les actions de ces protéines en utilisant de petites molécules relativement simples que nous fabriquons en laboratoire."

Les détails de la pompe moléculaire artificielle ont été publiés le 18 mai par le journal Nature Nanotechnologie .

Chuyang Cheng, un étudiant diplômé de quatrième année au laboratoire de Stoddart et premier auteur de l'article, a passé son doctorat. études recherchant des molécules qui imitent la machinerie biochimique de la nature. Il a d'abord conçu une pompe artificielle il y a deux ans, mais il a fallu plus d'un an pour tester des prototypes avant de trouver la structure chimique idéale.

"À certains égards, nous demandons aux molécules de se comporter d'une manière qu'elles ne feraient pas normalement, " Cheng a déclaré. "C'est un peu comme essayer de pousser deux aimants ensemble. Les molécules en forme d'anneau avec lesquelles nous travaillons se repoussent dans des circonstances normales. La pompe artificielle est capable de siphonner une partie de l'énergie qui change de main lors d'une réaction chimique et l'utilise pour rapprocher les anneaux."

La minuscule machine moléculaire enfile les anneaux autour d'une chaîne nanoscopique - une sorte d'axe - et serre les anneaux ensemble, avec seulement quelques nanomètres les séparant. Maintenant, la pompe moléculaire artificielle n'est capable de forcer que deux anneaux ensemble, mais les chercheurs pensent qu'il ne faudra pas longtemps avant de pouvoir étendre son fonctionnement à des dizaines d'anneaux et stocker plus d'énergie.

L'équipe de Stoddart recherche depuis plusieurs années des machines moléculaires artificielles. Un défi auquel ils sont confrontés depuis longtemps est de savoir comment alimenter leurs machines. Cette dernière avancée pourrait leur permettre de fabriquer des machines qui effectuent des tâches au niveau moléculaire.

Par rapport au système de la nature, la pompe artificielle est très simple, mais c'est un début, disent les chercheurs. Ils ont conçu un nouveau système, utilisant des barrières cinétiques, qui permet aux molécules de s'écouler "en amont" énergétiquement.

"C'est de la chimie hors équilibre, déplacer les molécules loin de leur état d'énergie minimum, qui est essentiel à la vie, " a déclaré Paul R. McGonigal, un auteur de l'étude. "Faire ainsi de la chimie hors équilibre, avec de simples molécules artificielles, est l'un des défis majeurs de la science au XXIe siècle.

Finalement, ils ont l'intention d'utiliser l'énergie stockée dans leur pompe pour alimenter des muscles artificiels et d'autres machines moléculaires. Les chercheurs espèrent également que leur conception inspirera d'autres chimistes travaillant en chimie hors équilibre.

"C'est complètement différent du processus de conception des machines que nous avons l'habitude de voir dans la vie de tous les jours, " dit Stoddart. " D'une certaine manière, il faut apprendre à voir les choses du point de vue des molécules, en considérant des forces telles que le mouvement thermique aléatoire que l'on ne considérerait jamais lors de la construction d'une pompe à eau agricole ou de tout autre dispositif mécanique."