Vers des moteurs moléculaires unidirectionnels contrôlés chimiquement

La kinésine et l'ATP-synthase, deux protéines essentielles à la vie, sont remarquables par leur habileté à se déplacer de manière unidirectionnelle. Fascinés par cette capacité de la nature à construire ces machines moléculaires1 , les chimistes ont entrepris de concevoir de tels engins moléculaires synthétiques. De nombreux types de machines ont ainsi été réalisées : pompes, rotors, muscles, marcheurs, navettes, interrupteurs... qui offrent des perspectives en nanotechnologie (composants électroniques miniatures) et nanomédecine. 

Jusqu’à maintenant, très peu de moteurs ayant un mouvement unidirectionnel ont été synthétisés. En effet, le sens unique du mouvement est assuré par un mécanisme s’apparentant à celui d’un cliquet qui empêche le retour en arrière d’un mouvement au départ aléatoire. Or il n’est physiquement pas possible de réaliser un tel cliquet mécanique à l’échelle moléculaire. 

Pour contourner cet obstacle, il est donc crucial de développer des cliquets dits « d’information » d’un autre type. Des scientifiques de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS/Sorbonne Université) ont récemment montré que la forme cônique, la chiralité et l’orientation par rapport à l’axe d’enfilement de macrocycles naturels appelés cyclodextrines génèrent une asymétrie qui joue le rôle de cliquet. Cela induit l’obtention préférentielle du produit où le macrocycle se trouve d'un côté de l’axe plutôt que de l'autre. 

Ils proposent aujourd’hui de nouveaux cliquets capables de transmettre une information de nature chimique à la partie mobile pour lui imposer un mouvement unidirectionnel. En suivant une approche biomimétique s’inspirant des mécanismes naturels mis en jeu dans les moteurs biologiques qui utilisent l’énergie chimique pour produire ce mouvement, les scientifiques ont greffé sur une cyclodextrine des fonctions chimiques spécifiques. Une fois enfilée sur un axe moléculaire doté de « portes » chimiques temporaires (Voir figure), la cyclodextrine est alors capable de catalyser elle-même l’ouverture de ces portes lui permettant de franchir ces barrières dans un seul sens. Une fois la porte ouverte et franchie, une seconde réaction chimique rapide referme la barrière empêchant le retour en arrière. Ce mécanisme de cliquet moléculaire à double porte, activé et contrôlé par la cyclodextrine, reproduit ainsi de façon biomimétique le fonctionnement des moteurs naturels assurant un déplacement orienté à l’échelle nanométrique.

Ces résultats publiés dans la revue Chem ouvrent des perspectives pour la conception de moteurs moléculaires présentant de nombreuses applications potentielles en nanomécanique, nanomédecine ou pour le transport ciblé.

Rédacteur : CCdM

• 1Assemblage de composants moléculaires conçu pour effectuer des mouvements semblables à ceux d’une machine sous l'effet d'un stimulus extérieur et via un apport d'énergie