Le premier piston moléculaire auto-assemblé

L’équipe d’Ivan Huc, chef de projet à l’IECB, en collaboration avec une équipe du Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, a réalisé le premier piston moléculaire capable de s’auto-assembler. Ces recherches représentent une avancée technologique significative dans la conception de moteurs moléculaires. Un tel piston pourrait, par exemple, servir à fabriquer des muscles artificiels ou à créer des polymères à la rigidité contrôlable. Ces résultats ont été publiés le 4 mars 2011 dans la revue Science.

Les organismes vivants ont largement recours à des moteurs moléculaires pour remplir certaines de leurs fonctions vitales comme stocker l’énergie, permettre le transport cellulaire ou même se propulser dans le cas des bactéries. Les agencements moléculaires de ces moteurs étant extrêmement complexes, les scientifiques cherchent à créer leurs propres versions, plus simples. Le moteur développé par l’équipe internationale emmenée par Ivan Huc, chef de projet à l’IECB (CNRS/Université Bordeaux I, UMR 5248), est un « piston moléculaire ». Comme un véritable piston, il est constitué d’un axe sur lequel glisse une pièce mobile, à la différence près que l’axe et la pièce ne mesurent que quelques nanomètres de long.

Plus précisément, l’axe est formé d’une molécule longiligne, tandis que la pièce mobile est une molécule en forme d’hélice (toutes deux sont des dérivés de molécules organiques spécialement synthétisés pour l’occasion). Comment le mouvement de la molécule hélicoïdale est-il possible le long de l’axe ? C’est l’acidité du milieu dans lequel baigne le moteur moléculaire qui contrôle l’avancée de l’hélice sur l’axe : en augmentant l’acidité, on pousse l’hélice vers une extrémité de l’axe, car elle possède alors une affinité pour cette portion de la molécule filiforme ; en réduisant l’acidité, on inverse le processus et l’hélice fait machine arrière.

Ce dispositif offre un avantage essentiel par rapport aux pistons moléculaires déjà existants : l’auto-assemblage. Dans les versions précédentes, qui prennent la forme d’un anneau glissant sur une tige, la pièce mobile passe mécaniquement à travers l’axe avec une extrême difficulté. A l’inverse, le nouveau piston se construit tout seul : les chercheurs ont conçu la molécule hélicoïdale spécifiquement pour qu’elle vienne s’enrouler spontanément autour de l’axe, tout en conservant une certaine liberté de mouvement ensuite pour ses déplacements latéraux.

a) Assemblage irréversible d’un axe et d’un anneau glissant le long de ce dernier.

En permettant une fabrication à grande échelle du piston moléculaire, cette faculté d’auto-assemblage laisse espérer voir fleurir rapidement des applications. Les domaines concernés sont variés : biophysique, électronique, chimie... En greffant bout à bout plusieurs pistons, on pourrait, par exemple, réaliser une version simplifiée d’un muscle artificiel, capable de se contracter sur commande. Une surface hérissée de pistons moléculaires deviendrait, à loisir, un conducteur ou un isolant électrique. Dernière idée : on peut imaginer une version grand format de l’axe sur lequel glisseraient plusieurs hélices, ce qui fournirait un polymère à la rigidité mécanique ajustable.

Helix-Rod Host-Guest Complexes with Shuttling Rates Much Faster than Disassembly. Quan Gan, Yann Ferrand, Chunyan Bao, Brice Kauffmann, Axelle Grélard, Hua Jiang, Ivan Huc. Science. 4 mars 2011.