Découverte d'un facteur clé de la formation des réseaux moléculaires

La liaison covalente est un phénomène très connu qui relie les atomes d’une molécule par une paire d’électrons partagée. Mais dans la nature, les structures de molécules peuvent aussi être reliées par des forces plus faibles et plus dynamiques qui donnent lieu à des réseaux supramoléculaires. Ceux-ci peuvent s’auto-assembler à partir d’un amas moléculaire initial, ou cristal, et se développer en grandes architectures stables.

Les réseaux supramoléculaires sont essentiels au maintien de la structure et de la fonction des systèmes biologiques. Par exemple, pour «manger», les cellules s’appuient sur des réseaux supramoléculaires hexagonaux qui s’auto-assemblent à partir d’unités de la clathrine, une protéine à trois bras. Les réseaux de clathrine forment des bulles autour des nutriments pour les amener dans la cellule. De la même manière, une protéine appelée TRIM5a forme un réseau hexagonal autour des virus du VIH, ce qui contribue à perturber leur réplication.

«Cette structure hexagonale en réseau est omniprésente dans la nature – on peut même la voir à l’échelle macroscopique dans les ruches, par exemple», explique Maartje Bastings, responsable du Laboratoire de biomatériaux programmables (PBL) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL.

Pour sa dernière étude publiée dans la revue Nature Chemistry, le Laboratoire PBL et le Laboratoire de bio- et nano-instrumentation (LBNI), dirigé par Georg Fantner, ont utilisé des brins d’ADN issus de la nano-ingénierie en forme d’étoile à trois points pour isoler et examiner les différents facteurs contrôlant la formation des réseaux supramoléculaires cristallins. Au cours du processus, les scientifiques ont découvert un «paramètre déterminant» encore plus important que la force ou le nombre de la liaison chimique.

«La flexibilité de l’interface l’emportera toujours»

Comme l’ADN humain, la composition des molécules d’ADN étoilé à trois points varie en fonction de leurs séquences de nucléotides, ce qui affecte leur force d’interaction (affinité) avec les molécules voisines. Mais pour cette étude, les scientifiques ont introduit une variable supplémentaire: grâce à des changements nuancés dans la longueur des brins composant chacun des trois bras des monomères, ils ont pu moduler la flexibilité locale et globale des bras.

À l’aide de la microscopie à force atomique à grande vitesse, l’équipe a observé que les étoiles à ADN dotés de bras plus courts et rigides s’organisaient en réseaux hexagonaux stables, tandis que celles possédant des bras plus longs et plus souples étaient incapables de former de grands réseaux. Les simulations ont révélé que les bras courts avaient presque quatre fois plus de chances d’être disposés en parallèle, plus propice à la connexion avec d’autres molécules, tandis que les bras plus longs avaient tendance à s’écarter trop les uns des autres pour créer des connexions stables. Les scientifiques ont appelé cette variation la flexibilité de l’interface.

«L’interface où deux molécules se rejoignent doit être rigide; si l’une d’entre elles est flexible, il y a moins de chances que les molécules restent connectées. La force de liaison n’est pas importante – la flexibilité de l’interface l’emportera toujours. Cela va à l’encontre de ce que l’on connaissait jusqu’à présent», affirme Maartje Bastings.

Fait intéressant, les scientifiques ont également montré que la flexibilité de l’interface peut être ajustée avec précision: dans les molécules flexibles, ils ont réussi à restaurer la rigidité locale à l’interface de liaison suffisamment pour soutenir la croissance du réseau, tout en conservant la taille globale plus importante des molécules. «Cela signifie que même des monomères globalement flexibles peuvent encore se développer en réseaux si la flexibilité de l’interface au point de liaison est contrôlée», résume Maartje Bastings.

Créer ou détruire

Selon Maartje Bastings, ces travaux pourraient changer la façon dont les scientifiques conçoivent les protéines et d’autres molécules pour l’auto-assemblage, et créer de nouvelles opportunités pour les nanothérapies cellulaires. Les approches ciblées pourraient se concentrer sur la rigidité dans la conception de nouveaux réseaux supramoléculaires à partir de protéines, par exemple, ou sur l’induction de flexibilité pour la rupture stratégique ou la prévention de réseaux indésirables, comme les plaques amyloïdes observées dans le cadre de la maladie d’Alzheimer. Maartje Bastings prévoit également des applications en spintronique, où l’auto-assemblage de réseaux nanométriques bien définis pourrait aider à créer l’électronique de prochaine génération.

Elle attribue cette réussite à l’initiative des étudiantes et étudiants de son laboratoire et des collaboratrices et collaborateurs du Laboratoire LBNI. Et elle n’oublie pas de reconnaître comme il se doit l’humble molécule d’ADN.

«Les progrès de la nanotechnologie interdisciplinaire de l’ADN et du contrôle des propriétés au niveau atomique ont permis de sortir l’ADN du contexte génomique et d’en faire un outil de découverte des interactions physiques globales, comme la flexibilité de l’interface.»