Des molécules forment un nid d'abeilles
Des chercheurs décryptent le schéma de conception des fibres moléculaires
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De minuscules molécules, appelées peptides, peuvent s’assembler pour former des fibres en nid d’abeille remplies d’eau. Le schéma de conception de ces fibres réside dans une séquence d’acides aminés très courte, comme viennent de le démontrer des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, de l’université d’Ulm et de l’hôpital universitaire d’Ulm. Ces plans fournissent des règles pour construire des matériaux ordonnés à partir de chaînes moléculaires très courtes et constituent un point de départ pour l'étude de l'eau dans des espaces extrêmement confinés. Ces résultats viennent d'être publiés dans la revue Nature.
Les structures en nid d’abeille sont bien connues, notamment grâce aux ruches. Des chercheurs ont désormais conçu des molécules qui s’auto-assemblent selon un motif similaire, à une échelle bien trop petite pour être visible à l’œil nu.
Ces molécules sont des peptides : de courtes chaînes d’acides aminés, les éléments constitutifs des protéines. Chacun de ces peptides spécifiques est composé de seulement neuf acides aminés. De nombreuses copies identiques s’assemblent pour former de minuscules fibres dont l’intérieur, semblable à un nid d’abeilles, est rempli d’eau.
L’Institut Max Planck de recherche sur les polymères, l’université d’Ulm et l’hôpital universitaire d’Ulm participent à ces travaux. L’étude, dont Jasmina Gačanin et Francesca Mazzotta sont les co-auteurs principaux, vient d’être publiée dans Nature.
« Ces molécules sont dotées de leurs propres instructions d’assemblage », explique Tanja Weil, directrice à l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères, qui a dirigé l’étude avec sa collègue Katharina Landfester. « L’étape cruciale consiste à comprendre comment une séquence peptidique aussi courte peut donner naissance à une structure ordonnée bien plus grande. »
Le code en nid d’abeille
Les chercheurs ont conçu une courte séquence peptidique de neuf acides aminés et l’ont étudiée sous plusieurs variantes. Ils ont découvert que cette séquence d’acides aminés détermine la manière dont les peptides s’organisent. Deux peptides s’associent par paires, et trois se rejoignent à chaque jonction. Cela crée des anneaux hexagonaux qui s’assemblent côte à côte pour former un nid d’abeilles et s’empilent le long de la fibre. Il en résulte des fibres comportant de nombreux canaux parallèles et continus d’environ cinq nanomètres de diamètre.
En substituant systématiquement des segments individuels de la séquence d’acides aminés, les chercheurs ont pu déterminer quels segments sont indispensables à la formation d’une structure en nid d’abeilles.
Pour ce faire, ils ont utilisé un type particulier de microscopie électronique appelé cryo-microscopie électronique. Dans cette technique, l’échantillon est congelé instantanément dans une fine couche de glace et observé dans son état naturel et hydraté. Cela permet aux scientifiques de déterminer exactement comment les peptides voisins s’imbriquent les uns dans les autres. « Nous observons non seulement le motif en nid d’abeille qui en résulte, mais aussi les contacts moléculaires qui le sous-tendent », explique Landfester.
Un monde différent pour l’eau
Ces canaux ne sont pas des tubes vides. Ils sont continuellement remplis d’eau, et cette eau se comporte différemment de l’eau ordinaire. Des simulations informatiques suggèrent que l’eau à l’intérieur est plus compacte et moins mobile qu’à l’extérieur, et que ses liaisons hydrogène persistent plus longtemps.
Des expériences viennent étayer cette hypothèse. Les chercheurs ont séché les fibres dans des conditions contrôlées et ont utilisé la spectroscopie infrarouge pour suivre la façon dont l’eau s’échappe. L’eau faiblement liée disparaît en premier, tandis que l’eau plus fortement liée à l’intérieur des canaux est retenue beaucoup plus longtemps. En revanche, dans un peptide témoin qui forme des fibres mais pas de canaux, l’eau se dissipe de manière uniforme. La structure en nid d’abeille elle-même reste intacte pendant le séchage.
Un seul élément constitutif fait une différence remarquable. Le remplacement de l’acide aminé qui tapisse la paroi du canal modifie le degré de liaison de l’eau à l’intérieur : selon l’élément constitutif, celle-ci est plus fortement liée ou de manière similaire à l’eau ordinaire. Élément crucial, les peptides modifiés continuent de former la structure en nid d’abeille. Cela permet d’adapter l’environnement à l’intérieur des canaux sans modifier leur géométrie hexagonale.
Ces résultats constituent un point de départ pour étudier l’eau dans des espaces très restreints et explorer des applications potentielles dans la séparation de substances ou dans les réactions chimiques. De telles applications n’ont pas encore été démontrées. Pour l’instant, l’avancée réside dans un ensemble de règles éprouvées permettant de construire des matériaux complexes à partir de chaînes moléculaires très courtes.
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