Dessin conceptuel des machines moléculaires grouillantes qui modifient les schémas de déplacement en fonction de stimuli mécaniques. Crédit :Université d'Hokkaido
Le comportement d'essaimage d'environ 100 millions de machines moléculaires peut être contrôlé en appliquant des stimuli mécaniques simples tels que l'extension et la contraction. Cette méthode pourrait conduire au développement de nouvelles machines moléculaires à essaimage et de petits dispositifs d'économie d'énergie.
Les molécules grouillantes en mouvement alignées dans une direction, des motifs en zigzag, ou formé un vortex répondant à divers stimuli mécaniques. Ils pourraient même réparer eux-mêmes le motif en mouvement après une perturbation, selon une étude menée par des scientifiques de l'Université d'Hokkaido.
Dans les années récentes, de nombreux scientifiques ont fait des efforts pour miniaturiser les machines trouvées dans le monde macroscopique. Les lauréats du prix Nobel de chimie 2016 ont été récompensés pour leurs recherches exceptionnelles sur les machines moléculaires et la conception et la synthèse de nanomachines.
Dans les études précédentes, l'équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Akira Kakugo de l'Université d'Hokkaido a développé des machines moléculaires composées de protéines motrices appelées kinésines et microtubules, qui a montré divers comportements d'essaimage. « L'essaimage est un concept clé de la robotique moderne. Il donne aux machines moléculaires de nouvelles propriétés telles que la robustesse et la flexibilité qu'une machine individuelle ne peut pas avoir, " dit Akira Kakugo. " Cependant, établir une méthodologie pour contrôler les comportements d'essaimage a été un défi."
Les machines moléculaires comprenant des microtubules et des kinésines. Les microtubules courent sur les kinésines fixées à la surface d'un élastomère de silicone. Crédit :Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 octobre 2019
Dans la présente étude publiée dans ACS Nano , l'équipe a utilisé le même système comprenant des protéines motrices kinésines et des microtubules, tous deux issus de la bio-ingénierie. Les kinésines sont fixées sur une surface de substrat en élastomère, et les microtubules sont autopropulsés sur les kinésines, alimenté par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate (ATP).
"Comme nous savons que l'application d'une contrainte mécanique peut jouer un rôle clé dans la formation de motifs pour les matières actives, nous avons étudié comment la déformation du substrat élastomère influence les modèles d'essaimage des machines moléculaires, " dit Akira Kakugo.
Les microtubules ont formé des motifs d'onde lorsqu'aucune contrainte n'est appliquée (à gauche). Lorsque le substrat élastomère est dilaté et contracté, ils se sont transformés en un motif aligné (au milieu) ou en un motif en zigzag (à droite). Crédit :Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 octobre 2019
En allongeant et en contractant le substrat élastomère, une stimulation mécanique est appliquée à environ 100 millions de microtubules qui courent à la surface du substrat. Les chercheurs ont d'abord découvert que les microtubules forment des modèles d'ondes lorsqu'aucune contrainte n'est appliquée. Lorsque le substrat est dilaté et contracté 1,3 fois ou plus une fois, la quasi-totalité des 100 millions de microtubules alignés perpendiculairement à l'axe d'expansion et de contraction, et lorsque le substrat est dilaté et contracté 1,3 fois ou moins de manière répétée, il a créé des motifs en zigzag placés dans des directions diagonales.
Leur simulation informatique a suggéré que les angles d'orientation des microtubules correspondent à la direction pour atteindre un mouvement fluide sans flambage, qui est encore amplifiée par la migration collective des microtubules.
Un grand vortex s'est formé sous une contrainte radiale sur le substrat. Crédit :Daisuke I. et al., ACS Nano. 4 octobre 2019
Une autre découverte importante était que le motif de déplacement des microtubules peut être modulé en appliquant de nouveaux stimuli mécaniques et qu'il peut être auto-réparé même si l'arrangement des microtubules est perturbé en grattant une partie de celui-ci.
"Nos découvertes peuvent contribuer au développement de nouvelles machines moléculaires qui effectuent un mouvement collectif et pourraient également aider à faire progresser les technologies pour les petits appareils économes en énergie, " a commenté Akira Kakugo.
