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Edifices supramoléculaires : la chiralité d’une échelle à l’autre

Des chercheurs de l’Institut Européen des Membranes (UMR CNRS 5635, Montpellier), conduits par Mihail Barboiu, ont découvert que la chiralité des G-quadruplexes, des superstructures tubulaires de quelques nanomètres, riches en guanine, pouvait se développer sur plusieurs centaines de nanomètres. Pour réaliser cette performance, ils ont mis au point une technique basée sur le procédé sol-gel, ouvrant la voie vers la synthèse de nouveaux matériaux dotés de propriétés uniques de transport membranaire, des ions par exemple, comparables à celles de systèmes naturels comme l’ADN ou l’ARN.

La chiralité moléculaire* est souvent liée à la présence de centres asymétriques au sein des molécules. L’assemblage de telles molécules conduit en général à des agrégats supramoléculaires de forme dissymétrique. Pourtant dans le monde du vivant des molécules non-chirales peuvent former des assemblages chiraux, selon des mécanismes encore largement inconnus. Ce type d’assemblage supramoléculaire chiral, de l’ordre du nanomètre, résulte d’un agencement spatial dissymétrique de molécules en interaction. La constitution de ces architectures supramoléculaires chirales est dynamique en solution et les exemples d’une telle chiralitérestent rares.

Les G-quadruplexes, des superstructures riches en guanine** formées par empilements hélicoïdaux de G-quartets, représentent un exemple concret d’architecture supramoléculaire chirale. Utilisés dans la thérapie du cancer, ils ont un rôle important comme inhibiteurs de la télomérase, une enzyme impliquée dans le vieillissement cellulaire qui joue un rôle déterminant dans la cancérisation des cellules. Les G-quadruplexes, naturellement constitués d’acides nucléiques, sont d'autant plus étonnants qu'ils forment spontanément des structures tubulaires pour le transport des ions (canal ionique). Cet exemple d’architecture chirale fonctionnelle synthétique, fréquemment rencontrées dans les systèmes biologiques (ADN, ARN…) fait rêver les scientifiques depuis une quarantaine d’années (1).

Dans le cadre de leurs études sur les matériaux membranaires dynamiques (2), Mihail Barboiu*** et ses collègues de l'Institut Européen des Membranes (UMR CNRS 5635, Montpellier) ont découvert que la chiralité supramoléculaire des G-quadruplexes pouvait se développer sur plusieurs centaines de nanomètres (3). Pour réaliser ce travail, l'équipe de chercheurs composée de biochimistes et de chimistes, a mis au point une technique basée sur le procédé sol-gel****. Les G-quadruplexes, dont la géométrie est hélicoïdale, communiquent leur chiralité aux G-quadruplexes voisins, organisés en réseau hexagonal. Ces édifices supramoléculaires dynamiques servent d'échafaudage pour former des bâtonnets hexagonaux vrillés hybrides, organiques et inorganiques (siloxanes*****), de 800 nm de diamètre. Le traitement thermique lent à 400°C conduit à l’élimination des molécules organiques, les G-quadruplexes, et à la formation d’hélices de silice. Ces hélices sont longues de plusieurs micromètres et leur topologie est très similaire à leurs congénères supramoléculaires, les G-quadruplexes. L’organisation supramoléculaire dynamique a ainsi transmis sa chiralité à des édifices inorganiques de taille bien supérieure (quelques micromètres). Les chercheurs de Montpellier ont publié une première image de ces nouveaux matériaux chiraux.

Le mariage entre l’auto-organisation supramoléculaire et la polymérisation minérale conduit ainsi à la transmission de la chiralité supramoléculaire au sein d’un matériau hybride. Les chercheurs ont eu la surprise d'observer que l’on retrouve le même principe de croissance hélicoïdale dans les séquoias géants, assurant ainsi leur stabilité. En effet, la maîtrise de l'organisation à l'échelle supramoléculaire et sa réplique hybride vrillée à plus grande échelle, ressemble étonnamment à l’architecture qui assure la stabilité des séquoias.

Ces travaux ouvrent deux perspectives nouvelles. D'une part, ils permettent de mieux comprendre à partir d'un système simple, comme le G-quadruplexe, quels sont les mécanismes de transmission de la chiralité dans des matériaux de taille bien supérieure. D'autre part, ils ouvrent la voie vers la synthèse de nouveaux matériaux, dotés de propriétés uniques de transport membranaire, susceptibles d’intéresser les biologistes. En effet, les chercheurs ont récemment montré que des matériaux membranaires ainsi préparés pouvaient conduire les ions aussi efficacement que les systèmes naturels à base d’acides nucléiques (ADN, ARN...), ouvrant la porte à des applications biologiques ou biotechnologiques (4).

 

*Chiralité : un objet est chiral s’il n’est pas superposable à son image dans le miroir. C’est le cas de la main, par exemple.
** Guanine : substance extraite du guano
*** Mihail Barboiu est lauréat du prix EURYI 2004 (European Research Young Investigators)
**** Procédé sol-gel : Il permet de fabriquer un polymère inorganique par des réactions chimiques simples et à une température proche de la température ambiante (20 à 150°C)
***** Siloxanes : Classe de composés du silicium. Le mot siloxane est dérivé de silicium, oxygène et alkane

 

Références

(1)(a) J.T. Davis, G.P. Spada, Chem Soc. Rev. 2007, 36, 296-313; (b) J. T. Davis, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 668-698.
(2) Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet "Dynamic adaptative materials for separation and sensing Microsystems” - Programme EURYI (European Young Investigator) Awards – coordonné par European Heads of Research Councils, dont le CNRS est membre et European Science Foundation, et supporté par les organisation participantes à l’EURYI et le Réseau des Programmes FP6. Voir  www.esf.org/euryi
(3) C. Arnal-Hérault, A. Banu, M. Barboiu, M. Michau, A. van der Lee, Amplification and transcription of the dynamic supramolecular chirality of the G-quadruplex, Angew. Chem. 2007, 119, 4346-4350; Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 4268-4272 - Cover Communications Picture, June 2007.
(4) C. Arnal-Herault, A. Pasc-Banu, M. Michau, D.Cot, E. Petit, M. Barboiu, Functional G-Quartet Macroscopic Membrane Films, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, DOI : 10 /1002/anie.200702605.

 

Contact chercheur

Mihail Barboiu
Institut Européen des Membranes -UMR CNRS 5635
Adaptative Supramolecular Nanosystems Group,
Montpellier
Tel : +33-(0)4-67149195
Courriel : barboiu@iemm.univ-montp2.fr

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Martine Hasler

 

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