Les scientifiques aspirent à construire des nanostructures qui imitent la complexité et la fonction des protéines de la nature, mais sont faits de matériaux durables et synthétiques. Ces widgets microscopiques pourraient être personnalisés en détecteurs chimiques incroyablement sensibles ou en catalyseurs durables, pour ne citer que quelques applications possibles.

Mais comme pour tout engin nécessitant une précision extrême, les chercheurs doivent d'abord apprendre à affiner les matériaux qu'ils utiliseront pour construire ces structures. Une découverte par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie, et rapporté le 7 octobre dans la publication en ligne anticipée de la revue La nature , est un grand pas dans cette direction.

Les scientifiques ont découvert une règle de conception qui permet à un matériau récemment créé d'exister. Le matériau est une nanofeuille peptoïde. C'est une structure plate de seulement deux molécules d'épaisseur, et il est composé de peptoïdes, qui sont des polymères synthétiques étroitement liés aux peptides formant des protéines.

La règle de conception contrôle la manière dont les polymères se rejoignent pour former les squelettes qui s'étendent sur toute la longueur des nanofeuillets. Étonnamment, ces molécules se lient entre elles selon un schéma contrarotatif que l'on ne voit pas dans la nature. Ce modèle permet aux épines dorsales de rester linéaires et sans torsion, un trait qui rend les nanofeuillets peptoïdes plus grands et plus plats que n'importe quelle structure biologique.

Les scientifiques du Berkeley Lab affirment que cette règle de conception inédite pourrait être utilisée pour reconstituer des structures complexes de nanofeuillets et d'autres assemblages peptoïdes tels que des nanotubes et des solides cristallins.

Quoi de plus, ils l'ont découvert en combinant des simulations informatiques avec des méthodes de diffusion et d'imagerie des rayons X pour déterminer, pour la première fois, la structure à résolution atomique des nanofeuillets peptoïdes.

"Cette recherche suggère de nouvelles façons de concevoir des structures biomimétiques, " dit Steve Whitelam, co-auteur de l'article Nature. "Nous pouvons commencer à réfléchir à l'utilisation de principes de conception autres que ceux proposés par la nature."

Whitelam est membre du personnel scientifique de l'installation de théorie de la fonderie moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science située à Berkeley Lab. Il a dirigé la recherche avec l'auteur co-correspondant Ranjan Mannige, chercheur postdoctoral à la Fonderie Moléculaire; et Ron Zuckermann, qui dirige l'installation de nanostructures biologiques de la Fonderie Moléculaire. Ils ont utilisé les moyens de calcul haute performance du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une autre installation utilisateur du DOE Office of Science située à Berkeley Lab.

Les nanofeuillets peptoïdes ont été découverts par le groupe de Zuckermann il y a cinq ans. Ils ont découvert que dans les bonnes conditions, les peptoïdes s'auto-assemblent en assemblages bidimensionnels pouvant atteindre des centaines de microns de diamètre. Ce « papier moléculaire » est devenu une perspective prometteuse en tant que plate-forme imitant les protéines pour la conception moléculaire.

Pour en savoir plus sur ce matériau de construction potentiel, les scientifiques ont entrepris d'apprendre sa structure de résolution atomique. Cela impliquait une rétroaction entre l'expérience et la théorie. Données de microscopie et de diffusion recueillies à la Fonderie Moléculaire et à la Source de Lumière Avancée, également une installation utilisateur du DOE Office of Science située à Berkeley Lab, ont été comparés à des simulations de dynamique moléculaire menées au NERSC.

La recherche a révélé plusieurs nouvelles choses sur les nanofeuillets peptoïdes. Leur constitution moléculaire varie dans toute leur structure, ils ne peuvent être formés qu'à partir de peptoïdes d'une certaine longueur minimale, ils contiennent des poches d'eau, et ils sont potentiellement poreux en ce qui concerne l'eau et les ions.

Ces idées sont fascinantes en elles-mêmes, mais lorsque les scientifiques ont examiné la structure de l'épine dorsale des nanofeuillets, ils ont été surpris de voir une règle de conception introuvable dans le domaine de la biologie structurale des protéines.

Voici la différence :dans la nature, les protéines sont composées de feuillets bêta et d'hélices alpha. Ces briques fondamentales sont elles-mêmes composées de squelettes, et les polymères qui composent ces squelettes sont tous réunis selon la même règle. Chaque polymère adjacent tourne progressivement dans le même sens, de sorte qu'une torsion court le long de la colonne vertébrale.

Cette règle ne s'applique pas aux nanofeuillets peptoïdes. Le long de leur colonne vertébrale, les unités monomères adjacentes tournent dans des directions opposées. Ces contre-rotations s'annulent, résultant en une épine dorsale linéaire et sans torsion. Cela permet de carreler les épines dorsales en deux dimensions et de les étendre en de grandes feuilles plus plates que tout ce que la nature peut produire.

"Ce fut une grande surprise de constater que la règle de conception qui rend possibles les nanofeuillets peptoïdes a échappé au domaine de la biologie jusqu'à présent, " dit Mannige. " Cette règle pourrait peut-être être utilisée pour construire beaucoup plus de structures non réalisées. "

Ajoute Zuckermann, "Nous nous attendons également à ce qu'il y ait d'autres principes de conception à découvrir, ce qui pourrait conduire à encore plus de nanostructures biomimétiques."