MOLÉCULES AU TRAVAIL

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Une voiture de quelques nanomètres avec quatre roues motrices, ça n'existe pas. Une molécule qui se contracte pour plier une poutre, ça n'existe pas. Un médicament pris au lasso, ça... Et pourquoi pas, finalement ? C'est ce qu'ont dû se dire des chercheurs qui ont relevé le défi et réussi à synthétiser des machines moléculaires. À leur échelle, ces molécules réalisent des mouvements mécaniques. Pour cela, il faut qu'elles soient constituées de fragments pouvant bouger les uns par rapport aux autres si on les stimule (avec des UV, un changement de pH, etc.). Les deux molécules les plus étudiées actuellement par les chimistes sont les caténanes et les rotaxanes [lire le glossaire page 54]. Un domaine de recherche foisonnant, dans lequel des virtuoses de la paillasse imaginent et fabriquent des systèmes moléculaires toujours plus élaborés, tout en explorant leurs applications potentielles.

Car ce n'est pas de la science-fiction. Une coque pour téléphone portable ayant la propriété d'effacer les rayures qui l'endommagent est déjà disponible sur le marché. Présentée lors de la dernière édition du Consumer Electronics Show de Las Vegas, en janvier 2012, elle résulte de ces recherches sur les molécules. Son secret ? L'exceptionnelle élasticité de son revêtement, un gel de polyrotaxane. Comme son nom l'indique, cette molécule est construite à partir de rotaxanes. Le revêtement de la coque est constitué d'un enchevêtrement de « fils » de polymères passés dans des molécules cycliques dans lesquelles ils peuvent glisser, comme sur une poulie. Et rétablir ainsi l'intégrité du revêtement égratigné.

D'étonnantes propriétés

Ceci dit, les spécialistes des molécules entrelacées peuvent parfois donner l'impression de pratiquer « l'art pour l'art ». L'équipe de David Leigh, à l'université d'Édimbourg, a synthétisé une molécule de 160 atomes qui a la forme d'un noeud comprenant cinq points de croisements ! Une première mondiale. Pour autant, cet exploit n'est-il pas une performance gratuite ? Si l'on veut. Sauf que les méthodes de synthèse qui ont abouti à cette molécule hors norme sont largement utilisées pour les machines moléculaires. « Quand j'ai proposé la première méthode efficace de synthèse des caténanes, ce type de molécules était réputé impossible à faire. Aujourd'hui, les chimistes ont à leur disposition une boîte à outils très enrichie, qui leur donne une grande liberté », souligne Jean-Pierre Sauvage, professeur émérite à l'université de Strasbourg et pionnier des machines moléculaires. Toutes ces techniques de synthèse ont pour point commun de réunir les fragments moléculaires de départ et de les placer dans des positions relatives telles que leur assemblage donne l'entrelacement voulu.

Dans la méthode inventée par Jean-Pierre Sauvage, c'est l'interaction entre les composants et un ion métallique central qui organise la bonne configuration. Aujourd'hui, les chercheurs savent jouer avec nombre d'interactions entre les molécules (liaisons hydrogène, interactions électrostatiques...). Et inventer de subtiles stratégies pour chorégraphier la synthèse finale. Résultat, une population croissante de systèmes moléculaires aux propriétés étonnantes : molécule moteur (stator et rotor), molécule ascenseur, muscle moléculaire, compresseur de molécule, catalyseur à géométrie variable...

Les machines moléculaires sont d'abord des outils pour faire de la chimie. Exemple type, le « moteur » de l'équipe de Ben Feringa, à l'université de Groningue (Pays-Bas). C'est un moteur : une grosse molécule dont une partie (le rotor) peut tourner à 360 ° par rapport à l'autre partie (le stator) autour d'une liaison chimique située au milieu. La rotation est déclenchée par un apport de lumière ou de chaleur. Mais les chercheurs ne se sont pas arrêtés là. Ils ont greffé aux bouts du rotor et du stator des groupements d'atomes ayant la propriété de catalyser certaines synthèses chimiques et dont l'action catalytique dépend de leurs positions respectives. Leur moteur moléculaire devient ainsi un catalyseur à géométrie variable. Selon les positions relatives du rotor et du stator, il favorisera la synthèse de produits différents. Il est donc possible d'orienter en direct une réaction chimique en jouant avec un peu de lumière et de chaleur.

Parmi les molécules inventées par Jean-Pierre Sauvage figure un « compresseur » de molécule. Il s'agit d'un édifice complexe, rejeton très élaboré de la famille des rotaxanes, mais dont la fonction se résume à une cage, de taille variable. « À mon avis, l'application potentielle la plus séduisante tient à la possibilité de rapprocher deux réactifs pour les forcer à réagir. Beaucoup de réactions enzymatiques fonctionnent de manière analogue », indique Jean-Pierre Sauvage.

Débouchés dans la nanomédecine

Manipuler les molécules, c'est aussi les transporter. Ce rôle pourrait être joué par la « voiture » 4 x 4 de quelques nanomètres, synthétisée par des chimistes allemands de l'Empa associés à l'université de Groningue. À Édimbourg, l'équipe de David Leigh a fabriqué une petite molécule qui marche pas à pas le long d'une chaîne moléculaire. Ces processus de transport sont largement inspirés de la biologie, où les exemples de molécules animées sont nombreux [lire ci-contre].

Les machines moléculaires pourraient bénéficier à la nanomédecine, notamment pour le traitement ciblé des cancers. À l'université de Montpellier, une équipe de chimistes, dirigée par Frédéric Coutrot, a conçu des rotaxanes dans ce but. « L'idée est de masquer et démasquer la partie active du médicament en déplaçant un cycle sur l'axe du rotaxane », explique ce chercheur passé par le labo de David Leigh. Masquée pendant le transport dans le sang, la partie active est démasquée par la variation de pH (plus acide) à l'approche d'une cellule cancéreuse. Autre possibilité : l'utilisation d'un noeud coulant pour emprisonner une molécule active et ne la relâcher, en desserrant le lasso, qu'au contact de la cellule cancéreuse [voir le schéma page 53].

Une stratégie différente est à l'étude de l'autre côté de l'Atlantique, sous l'impulsion de Fraser Stoddart, spécialiste des noeuds et des machines moléculaires à la Northwestern University (Illinois). Cette fois, le médicament est embarqué dans une nanoparticule de silice poreuse très résistante. Les rotaxanes servent de « bouchons » aux pores remplis de produit actif. En faisant glisser un cycle sur l'axe du rotaxane, on débouche le pore pour libérer son contenu. Plusieurs stimuli pourraient servir de déclencheurs : pH, lumière ou même champ magnétique (ce qui permettrait de délivrer le médicament à un moment choisi). « Nous travaillons avec des biologistes et des médecins chercheurs pour mettre en place des tests sur des cellules et des animaux », indique Michael Ambrogio, chercheur au sein de l'équipe de Stoddart.

Mais les Américains, qui ont baptisé leur spécialité « mécano stéréo chimie », s'intéressent aussi aux applications en « mécanique ». Les machines moléculaires oeuvrant à l'échelle nanométrique pourraient-elles agir à une échelle plus humaine ? « Le seul moyen pour qu'elles effectuent un travail à une échelle macroscopique est de les réunir en grand nombre sous forme de faisceau, comme les fibres dans un muscle », indiquait Fraser Stoddart dans un article de janvier 2012. L'équipe de la Northwestern University a réussi à ployer une poutre microscopique en y fixant des rotaxanes capables de se contracter. Encore une prouesse gratuite ? Pas si sûr. Le prix Feynman, créé en l'honneur du physicien Richard Phillips Feynman, prix Nobel et père des nanotechnologies, a lancé les chimistes sur la piste du premier bras de robot fonctionnel qui tiendra dans un cube de moins de 100 nanomètres. Récompense : 250 000 dollars. Wanted !