Nouvelle double hélice bio-inspirée avec chiralité commutable

L’acide désoxyribonucléique ou ADN, le système moléculaire qui porte l’information génétique des organismes vivants, peut transcrire et amplifier l’information grâce à ses deux brins hélicoïdaux. La création de tels systèmes moléculaires artificiels qui égalent ou surpassent l’ADN en termes de fonctionnalité suscite un grand intérêt chez les scientifiques. Les foldamères à double hélice sont l’un de ces systèmes moléculaires.

Les foldamères hélicoïdaux sont une classe de molécules artificielles qui se replient en structures hélicoïdales bien définies comme les hélices trouvées dans les protéines et les acides nucléiques. Ils ont suscité une attention considérable en tant que molécules commutables sensibles aux stimuli, matériaux chiraux réglables et systèmes supramoléculaires coopératifs en raison de leurs propriétés de commutation chirale et conformationnelle.

Les foldamères à double hélice présentent non seulement des propriétés chirales encore plus fortes, mais également des propriétés uniques, telles que la transcription d’informations chirales d’un brin chiral à un autre sans propriétés chirales, permettant des applications potentielles dans le contrôle structurel d’ordre supérieur lié à la réplication, comme les acides nucléiques.

Cependant, le contrôle artificiel des propriétés de commutation chirale de telles molécules artificielles reste difficile en raison de la difficulté d’équilibrer les propriétés dynamiques requises pour la commutation et la stabilité. Bien que diverses molécules hélicoïdales aient été développées dans le passé, l’inversion du sens de torsion dans les molécules à double hélice et les supramolécules a rarement été signalée.

Dans une percée, une équipe de chercheurs de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, dirigée par le professeur Hidetoshi Kawai du Département de chimie de la Faculté des sciences, et incluant M. Kotaro Matsumura du Département de chimie, a développé un nouveau motif mécanique, appelé monométallofoldamères à double hélice avec commutation chirale contrôlable.

Le professeur Kawai explique : « Dans cette recherche, nous avons réussi à synthétiser un complexe mononucléaire à double hélice relié par un seul cation métallique au centre des hélices pour équilibrer à la fois la stabilité et les propriétés dynamiques. Ces structures peuvent subir une commutation par inversion en changeant les directions d’enroulement gauche et droite des deux brins d’hélice à l’aide de solvants différents. »

Leur étude a été publiée dans le Journal de la Société américaine de chimie le 19 juillet 2024.

Les chercheurs ont synthétisé des monométallo-formamides à double hélice à partir de deux brins de type bipyridine avec des unités en forme de L, qui après avoir formé un complexe avec un cation zinc ont formé des structures à double hélice. La cristallographie aux rayons X a révélé les structures à double hélice avec un cation métallique en leur centre.

Les chercheurs ont étudié la commutabilité des monométallofoldamères en réponse à des stimuli externes et ont découvert que les terminaux d’hélice de la forme double hélicoïdale peuvent se déplier dans les solutions, donnant lieu à la forme ouverte, favorisée à haute température, et se replier vers la forme double hélicoïdale, favorisée à basse température.

Il est intéressant de noter que l’hélicité du monométallo-foldamère à double hélice avec des chaînes chirales peut être contrôlée en réponse à des solvants achiraux. Par exemple, dans des solvants non polaires (toluène, hexane, Et₂O), il devient gauchère ou forme M, et dans les solvants basiques de Lewis (acétone, DMSO), il devient droitier ou forme P. La conformation des chaînes chirales introduites dans les brins d’hélice s’est avérée importante pour cette commutation M/P.

De plus, ils ont découvert que lorsqu’un brin d’hélice avec des chaînes chirales est mélangé à un brin sans chaînes chirales, le sens d’enroulement de l’hélice est transmis et amplifié au brin achiral sans chaînes chirales, la capacité d’inversion d’hélicité étant maintenue.

Soulignant l’importance de cette nouvelle molécule, M. Matsumura déclare : « Nos monométallofoldamères à double hélice synthétisés ont le potentiel d’être appliqués à de nouveaux matériaux chiraux de commutation qui produisent diverses propriétés chirales par de petites entrées et peuvent être utilisés pour développer des capteurs chiraux.

« De plus, nous espérons que cette nouvelle structure moléculaire facilitera la genèse de systèmes supramoléculaires déracémisés et organisés tels que ceux que l’on trouve dans la nature en transmettant et en amplifiant leurs propriétés chirales supérieures. »

Dans l’ensemble, cette étude marque une étape importante vers la réalisation de structures artificielles à double hélice contrôlables, ouvrant la voie à de nouveaux systèmes moléculaires d’ordre élevé et au traitement de l’information moléculaire.