Les molécules constituées de plusieurs sous-unités répétitives, appelées monomères, dont la construction chimique peut varier ou non, sont classées comme macromolécules ou polymères. Des exemples existent dans la character, notamment les protéines et les acides nucléiques, qui sont au cœur de tous les systèmes biologiques. Les protéines ne forment pas seulement la base des éléments structurels des cellules, elles servent également d’enzymes – qui catalysent essentiellement toutes les myriades de transformations chimiques qui ont lieu dans les systèmes vivants. En revanche, les acides nucléiques tels que l’ADN et l’ARN servent de macromolécules d’information. L’ADN stocke l’information génétique de la cellule, qui est copiée de manière sélective dans des molécules d’ARN qui fournissent les options pour la synthèse des protéines. De as well as, les longues chaînes constituées d’unités de sucre fournissent des réserves d’énergie sous forme de glycogène, qui est stockée dans le foie et les muscle mass. Ces diverses lessons de molécules polymériques ont toutes une caractéristique commune: elles se replient spontanément en conformations spatiales caractéristiques, par exemple la fameuse double hélice d’ADN, qui dans la plupart des cas sont essentielles à leurs fonctions biochimiques.




Le professeur Ivan Huc (Département de pharmacie, LMU) étudie les aspects des processus d’auto-organisation qui permettent aux macromolécules d’adopter des formes pliées définies. Les buildings moléculaires trouvées dans la mother nature lui fournissent des modèles, dont il tente de reproduire les propriétés en laboratoire avec des molécules non naturelles qui ne sont ni des protéines, ni des acides nucléiques, ni des sucres. Furthermore précisément, il utilise les outils de la chimie synthétique pour élucider les principes sous-jacents de l’auto-organisation – en construisant des molécules qui sont expressément conçues pour se plier dans des formes prédéterminées. Partant des monomères que son groupe a développés, il entreprend de produire ce qu’il appelle des « foldamers », en assemblant les monomères un par un pour générer une macromolécule pliée.

Structures à faible symétrie

« La manière normale d’obtenir la composition complexe des protéines est d’utiliser différents kinds de monomères, appelés acides aminés », comme le rapporte Huc. « Et la méthode normale pour connecter différents acides aminés dans le bon ordre est de les lier un par un. » La séquence d’acides aminés contient les informations de pliage qui permettent à différentes séquences protéiques de se plier de différentes manières.


« Mais nous avons découvert quelque selected d’inattendu et de spectaculaire », commente Huc. Lui et ses collègues de Munich, Groningue, Bordeaux et Berlin ont utilisé des monomères organiques contenant du soufre pour obtenir spontanément des macromolécules cycliques de forme complexe, comme l’illustre leur faible degré de symétrie, sans nécessiter de séquence spécifique. Les macromolécules s’auto-synthétisent – aucune autre ailment n’est nécessaire. « Nous ne mettons qu’un seul form de monomère dans un ballon et attendons », dit Huc. « C’est typique pour une réaction de polymérisation, mais les polymères d’un seul monomère n’adoptent généralement pas des formes complexes et n’arrêtent pas de croître à une longueur de chaîne précise. »

Pour contrôler davantage la réaction, les scientifiques ont également utilisé une petite molécule invitée ou un ion métallique. Le régulateur se lie à l’intérieur de la macromolécule en croissance et amène les monomères à s’organiser autour d’elle. En choisissant un régulateur avec les caractéristiques appropriées, les auteurs de la nouvelle étude ont pu produire des buildings avec un nombre prédéterminé de sous-unités. Les macromolécules cycliques présentaient de faibles niveaux de symétrie. Certains se composaient de 13, 17 ou 23 sous-unités. Puisque 13, 17 et 23 sont des nombres premiers, les formes pliées correspondantes présentent de faibles degrés de symétrie.

Un modèle de procédés biologiques et industriels

L’intérêt pour l’élucidation de tels mécanismes ne se limite pas au domaine de la recherche fondamentale. Huc et ses collègues espèrent que leur approche mènera à la fabrication de plastiques structure. Les polymères conventionnels sont généralement constitués de mélanges de molécules dont la longueur varie (c’est-à-dire le nombre de monomères qu’ils contiennent). Cette hétérogénéité a un effect sur leurs propriétés physiques. Par conséquent, la capacité de synthétiser des chaînes polymères d’une longueur et / ou d’une géométrie exacte devrait conduire à des matériaux avec des comportements nouveaux et intéressants.

En outre, les foldamères comme ceux qui ont maintenant été synthétisés présentent des ressemblances structurelles étroites avec les biopolymères. Ils offrent donc un système modèle idéal pour étudier les propriétés des protéines. Chaque protéine est constituée d’une séquence linéaire définie (c’est-à-dire non ramifiée) d’acides aminés, qui constitue sa « composition primaire  ». Mais la plupart des chaînes d’acides aminés se replient en sous-structures locales telles que des tronçons hélicoïdaux ou des brins parallèles qui peuvent former des feuilles. Ces unités représentent la construction secondaire de la protéine. Le terme « structure tertiaire » est appliqué à la chaîne basic entièrement repliée. Cela peut à son tour interagir avec d’autres chaînes pour former une unité fonctionnelle ou une construction quaternaire.

Le but ultime de Huc est d’imiter des mécanismes biologiques complexes en utilisant des précurseurs synthétiques structurellement définis. Il veut comprendre comment, par exemple, les enzymes se replient dans la conformation correcte et biologiquement lively après leur synthèse dans les cellules. Les molécules dont les propriétés peuvent être contrôlées avec précision en laboratoire fournissent des modèles idéaux pour trouver les réponses et peut-être aller au-delà des enzymes elles-mêmes.