La chercheuse postdoctorale de l'Université du Vermont, Mona Sharafi, a aidé à créer un outil à l'échelle nanométrique qui peut dénouer des nœuds de protéines, plastique ou autres polymères. Appelé un "nanocage, " l'avancée de la chimie promet d'aider à créer de nouveaux types de matériaux industriels et biologiques. Crédit :Joshua Brown/UVM
Une équipe de scientifiques de l'Université du Vermont a inventé un nouvel outil - qu'ils appellent une "nanocage" - qui peut capturer et redresser les enchevêtrements de polymères de la taille d'une molécule.
Une fois qu'un brin de polymère noueux - qu'il soit fait de protéines ou de plastique - est ouvert " alors nous pouvons activer uniquement les polymères que nous voulons, en laissant le reste tranquille, " dit le chimiste UVM Severin Schneebeli qui a dirigé la nouvelle recherche. Cet outil, qui fonctionne un peu comme tirer une liasse de fil à travers un trou d'aiguille, " ouvre une nouvelle façon de créer des matériaux personnalisés qui n'ont jamais été fabriqués auparavant, ", dit-il. Ceux-ci pourraient inclure des revêtements de pilules à l'échelle nanométrique qui s'enroulent autour de molécules uniques de médicament ou de nouveaux produits industriels assemblés à partir de brins de plastique arrangés avec précision à l'échelle atomique.
L'outil, composé d'arêtes moléculaires avec des liaisons hydrogène spéciales "directrices de forme" - et des milliers de fois plus petites qu'une tête d'épingle - peut sélectionner des brins plus courts d'un polymère, laisser les plus longs derrière, démontrant que la nanocage peut être utilisée pour trouver sélectivement des tailles particulières de molécules dans une soupe de matériau. "C'est sélectif et ça n'a jamais été fait auparavant, ", déclare Schneebeli. Cette recherche est la première fois que la science est capable de distinguer et d'activer des chaînes de polymères de différentes tailles dans un laboratoire, ouvrant la porte à de nouvelles possibilités pour la chimie de précision.
La nouvelle recherche a été publiée dans l'édition de juin de la revue Chimie .
La nature sait
Les capacités de la nanocage sont nouvelles pour la science, mais pas pour la nature. Depuis des milliards d'années, la vie a développé des moyens de sélectionner juste le morceau d'une protéine ou d'un autre nœud biologique qu'elle veut dénouer et activer, ce que les scientifiques appellent « fonctionnaliser ». Mais les gens ont eu du mal à faire la même chose. "Malgré de nombreux exemples en biologie, " écrivent les scientifiques de l'UVM, « une modification efficace et sélective des polymères artificiels est encore difficile. »
Qu'il s'agisse de modifier des brins biologiques, comme l'ADN, ou des matériaux industriels, comme les plastiques, le nouvel outil en forme de tétraèdre promet de laisser les scientifiques faire ce que la nature fait déjà bien. "Il a fallu des années de dur labeur en laboratoire pour assembler ce tétraèdre avant de pouvoir le tester, " dit Mona Sharafi, l'auteur principal de la nouvelle étude, et chercheur post-doctoral à l'Université du Vermont qui est venu d'Iran aux États-Unis. "C'est entièrement créé par l'homme" dit-elle, "mais inspiré par la nature."
Polymères puissants
Le mot polymère vient d'une paire de mots grecs qui signifient « plusieurs parties ». Et les polymères ne sont que cela :des matériaux fabriqués à partir d'énormes molécules composées de nombreuses parties répétitives. On les retrouve dans de nombreux produits du quotidien. Certains sont naturels, comme le caoutchouc et la gomme laque. Beaucoup sont synthétiques, et sont utilisés pour produire une grande partie du matériel dans la vie quotidienne - des sacs à provisions aux couches, vêtements aux conduites d'eau. Les polymères peuvent être trouvés dans de longues ficelles bien rangées au niveau moléculaire - ou ils peuvent être attachés dans des nœuds horribles comme un milliard de brins de micro-spaghetti
La nature a eu des éons pour comprendre comment à la fois synthétiser ces énormes molécules-biopolymères, comme l'ADN et comment éditer et activer les portions sélectionnées. Les gens sont devenus assez bons pour fabriquer de nouveaux polymères synthétiques, mais pas si bons pour les sélectionner et les éditer. De nombreux scientifiques et ingénieurs travaillant sur de nouvelles applications pour les énergies renouvelables (par exemple, cellules solaires de nouvelle génération), la médecine de précision (comme l'administration de médicaments anticancéreux à des parties ciblées du corps) et l'électronique de pointe (y compris les dispositifs flexibles) - aimeraient avoir un meilleur contrôle et une plus grande efficacité en travaillant avec ce que l'équipe UVM appelle des "polymères fonctionnels avec des topologies complexes". Avec le soutien de la National Science Foundation et des National Institutes of Health (qui ont soutenu les études informatiques, dirigé par le chimiste UVM Jianing Li), la recherche sur la nanocage fournit un nouvel outil pour le faire - "pour dénouer le nœud, ouvrir des polymères qui auraient été inaccessibles auparavant, ", déclare Mona Sharafi de l'UVM. "Nous avons ouvert quelque chose de grand."