Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l'Université de Tokyo ont mis au point une technique de conversion réversible de vésicules lipidiques 3D en nanofeuillets ultrafins 2D. Les nanofeuillets stables et le processus de conversion réversible 2-D-3-D peuvent trouver diverses applications dans le domaine pharmaceutique, bio-ingénierie, nourriture, et sciences cosmétiques.

Un nombre étonnant d'avancées technologiques récentes et de nouvelles applications d'ingénierie vont de pair avec les progrès dans le domaine de la science des matériaux. La conception et la manipulation de matériaux à l'échelle nanométrique (c'est-à-dire de l'ordre du milliardième de mètre) est devenu un sujet brûlant. En particulier, nanofeuillets, qui sont des structures planes 2D ultra-minces avec une surface allant de quelques micromètres à quelques millimètres, ont récemment attiré beaucoup d'attention en raison de leur mécanique exceptionnelle, électrique, et les propriétés optiques. Par exemple, les nanofeuillets organiques ont un grand potentiel en tant qu'outils biomédicaux ou biotechnologiques, tandis que les nanofeuillets inorganiques pourraient être utiles pour le stockage et la récolte d'énergie.

Mais qu'en est-il du passage d'une structure de nanofeuillet 2D à une structure moléculaire 3D de manière contrôlable et réversible ? Des scientifiques du Tokyo Tech et de l'Université de Tokyo ont mené une étude sur un tel processus de conversion réversible 2-D/3-D, motivé par ses applications potentielles. Dans leur étude, Publié dans Matériaux avancés , ils se sont d'abord concentrés sur la conversion de vésicules lipidiques sphériques (structures en forme de bulles) en nanofeuillets 2D grâce à l'action coopérative de deux composés :un peptide acide perturbateur de membrane appelé E5 et un copolymère cationique appelé poly(allylamine)-greffon-dextran (ou PAA-g-Dex, pour faire court). Ils ont ensuite tenté de ramener les nanofeuillets lipidiques à leur forme de vésicule 3D en modifiant des conditions spécifiques, comme le pH, ou à l'aide d'une enzyme (Fig. 1), et a constaté que la réaction était réversible.

Ainsi, à travers diverses expériences, les scientifiques ont élucidé les mécanismes et les interactions moléculaires qui rendent possible cette conversion réversible. En milieu aqueux, les bicouches lipidiques planes ont tendance à être instables car certaines de leurs queues hydrophobes (répulsives à l'eau) sont exposées sur les bords, conduisant à la formation de vésicules, qui sont beaucoup plus stables (Fig. 2). Cependant, peptide E5, lorsqu'il est plié en une structure hélicoïdale à l'aide de PAA-g-Dex, peuvent rompre la membrane de ces vésicules pour former des nanofeuillets 2-D. Cette paire de composés se combine en une structure en forme de ceinture sur les bords des nanofeuillets, dans un processus essentiel pour les stabiliser. Professeur Atsushi Maruyama, qui a mené cette recherche, explique « Dans les structures feuilletées observées en présence de E5 et de PAA-g-Dex, l'assemblage de E5 et du copolymère au niveau des bords de la feuille évite vraisemblablement l'exposition des bords hydrophobes à la phase aqueuse, stabilisant ainsi les nanofeuillets." (voir Fig. 3) Les feuilles peuvent être reconverties en vésicules sphériques en perturbant la structure en forme de ceinture. Cela peut être fait en, par exemple, ajouter le sel de sodium du poly(acide vinylsulfonique), qui modifie la forme hélicoïdale de E5.

Les expériences des scientifiques leur ont montré que la nanofeuille est très stable, souple, et mince; ce sont des propriétés qui sont précieuses dans les études et les applications des biomembranes. Par exemple, le procédé de conversion 2-D-3-D peut être utilisé pour encapsuler des molécules, comme la drogue, dans les vésicules en les transformant en feuilles puis en sphères. "Les vésicules lipidiques sont utilisées à la fois pour des études de base et des applications pratiques en pharmaceutique, nourriture, et sciences cosmétiques. La capacité de contrôler la formation de nanofeuillets et de vésicules sera utile dans ces domaines, " conclut le Pr Maruyama. Sans aucun doute, l'amélioration de notre capacité à manipuler le monde nanoscopique entraînera des changements macroscopiques positifs dans nos vies.