Groupe d'assemblage supramoléculaire à l’échelle nanométrique de l’INN.

Vue d’ensemble de la recherche

Les objets nanotubulaires unidimensionnels ont retenu l’attention de la communauté scientifique au cours de la dernière décennie en raison de leur immense potentiel dans le domaine de la science et de la technologie à l’échelle nanométrique. Les stratégies élaborées pour leur synthèse ont englobé la chimie organique et la chimie inorganique et ont engendré, entre autres, les nanotubes de carbone et de peptide ainsi que les architectures tubulaires dérivées de surfactants. Alors que les systèmes inorganiques bénéficient de la vaste gamme des éléments du tableau périodique et des riches propriétés physiques et chimiques qui y sont associées, les systèmes organiques ont hérité des possibilités de la chimie moléculaire et supramoléculaire synthétique. À ce titre, la seconde approche offre d’innombrables possibilités en termes d’ingénierie structurale, physique et chimique.

Pour établir le rôle central de la synthèse supramoléculaire dans la science et la technologie à l’échelle nanométrique, nous avons récemment proposé une nouvelle catégorie d’architectures nanotubulaires adaptatives résultant de l’autoassemblage et de l’auto-organisation de matériaux d’inspiration biologique. La base hétérobicyclique G Ù C, conçue et préparée dans nos laboratoires, comprend à la fois la liaison hydrogène de Watson-Crick, le donneur-donneur-accepteur de guanine et l’accepteur-accepteur-donneur de cytosine sur les faces opposées de la molécule, de même qu’un élément fonctionnel sur sa face de liaison sans hydrogène. (Fig. 1) En raison de l’asymétrie des réseaux de liaisons hydrogènes, de leur disposition spatiale et du caractère hydrophobe du système bicyclique, le motif G Ù C est soumis à un procédé d’autoassemblage hiérarchique alimenté par les effets hydrophobes dans l’eau pour former un supermacrocycle à six branches maintenues par 18 liens hydrogènes (Fig. 1). L’agrégat qui en résulte et qui est substantiellement plus hydrophobe s’auto-organise en une pile linéaire, laquelle définit un canal central ouvert le long de l’assemblage (Fig. 1) nommé les « nanotubes en rosette ». Le diamètre intérieur des nanotubes en rosette est relié directement à la distance qui sépare les réseaux de liaisons hydrogènes du motif G Ù C alors que le diamètre périphérique et sa chimie sont déterminés par le choix des groupes fonctionnels annexés au motif.

En principe, lors de l’autoassemblage, tout groupe fonctionnel lié par covalence au motif G Ù C peut être exprimé sur la surface des nanotubes, ce qui offre une stratégie « intégrée » générale pour adapter les propriétés physiques et chimiques des nanotubes en rosette. Nous avons synthétisé plus de 70 dérivés G Ù C et nous effectuons actuellement des recherches sur leurs propriétés d’agrégation. Nous avons également élaboré une stratégie dans laquelle les propriétés des nanotubes peuvent être modifiées après l’autoassemblage. Dans cette approche « manuelle », le motif G Ù C a été conçu afin que les nanotubes résultants expriment des points d’ancrage distribués uniformément sur leur surface extérieure pour des modifications additionnelles avec des molécules externes (désignées agents promoteurs aux présentes). Cette stratégie offre une approche puissante afin d’ajouter de façon manuelle les propriétés désirées en sélectionnant les agents promoteurs qui possèdent les propriétés en question telles que la charge, la cristallinité du liquide, le caractère hydrophobe/hydrophile, la fluorescence, le transport (électrons, photons, ions). Enfin, la troisième stratégie en cours d’élaboration dans nos laboratoires consiste à soumettre un ensemble de dérivés G Ù C avec des propriétés prédéfinies à une évolution et à une sélection in-vitro pour créer des nanotubes en rosette adaptatifs possédant ces propriétés.

L’objectif principal de ces travaux vise à découvrir les forces sous-jacentes et synergiques qui engagent les procédés d’autoassemblage et à les maîtriser afin de concevoir des architectures supramoléculaires possédant des propriétés, des dimensions, une topologie, une stéréochimie, une hiérarchie et une forme précisément définies. La détermination des facteurs structurels et électroniques (densités de charge, états d’ionisation, équilibre tautomérique) associés à la base G Ù C et leur relation à la formation de nanotubes en rosette stables est un point central de ces questions fondamentales. Par conséquent, le Groupe d’assemblage supramoléculaire à échelle nanométrique travaille sur (a) l’élaboration de stratégies synthétiques efficaces pour la préparation d’analogues et de dérivés de G Ù C; (b) l’investigation des facteurs structurels, chimiques et physiques qui affectent leurs propriétés d’autoassemblage; (c) l’établissement d’une relation entre l’équilibre tautomérique, pKa, la densité de la charge, les moments magnétiques et la stabilité du nanotube en rosette à l’aide des méthodes computationnelles, synthétiques et physiques; et (d) la synthèse de motifs G Ù C désignés 15N pour explorer la dynamique et établir l’intégrité structurelle du nanotube en rosette en solution sous diverses conditions expérimentales (température, pH, force ionique, solvants, additifs).

Ce programme de recherche a contribué à un environnement pluridisciplinaire au sein du Groupe d’assemblage supramoléculaire à l’échelle nanométrique et de l’INN. En plus d’explorer de nouveaux aspects de la chimie hétérocyclique, des acides nucléiques et des peptides, les étudiants réguliers et postdoctoraux impliqués dans ce projet ont appris à créer de façon synthétique des interactions non covalentes pour générer des assemblages de plus haut niveau avec une structure et une fonction prédéfinies (synthèse supramoléculaire). Des études organiques physiques subséquentes pour caractériser les assemblages résultants amènent les étudiants à se familiariser avec des techniques de pointe telles que le 1H-RMN 2D, la diffusion de la lumière dynamique et statique, le dichroïsme circulaire, la microscopie électronique (MET, MEB), la diffraction radiologique, le SAXS, le SANS et la microscopie-sonde à balayage (AFM, microscopie à effet tunnel). Les étudiants de deuxième et troisième cycle tirent d’énormes bénéfices de leur collaboration avec leurs collègues du niveau postdoctoral, alors que les étudiants du premier cycle se familiarisent avec les techniques de base en laboratoire grâce à leur partenariat avec les étudiants de deuxième et troisième cycle. En outre, les étudiants au baccalauréat découvrent et apprécient le travail qui peut devenir la prochaine étape de leur carrière académique.

Polymères codés spectroscopiquement. La chimie combinatoire représente un autre domaine d’intérêt important pour le Groupe d’assemblage supramoléculaire à l’échelle nanométrique. La sélection rationnelle et informée d’éléments diversifiés suivie de leur association combinatoire dans un cadre prédéfini pour générer une bibliothèque chimique représente l’essence de ce domaine.

Nous avons récemment proposé une nouvelle catégorie de résines préparées avec codes barres infrarouge et spectroscopiques Raman intégrés. Cette approche présente un nouveau paradigme de la chimie combinatoire, car les billes ne sont plus que des simples porteurs pour la synthèse de la phase solide, mais bien des ajouts au référentiel de la stratégie synthétique à laquelle elles ont été soumises. La synthèse automatisée orientée vers la cible et la synthèse diversifiée des bibliothèques dans laquelle un code barres unique est attribué à chaque composé au début d’une synthèse de masse commune divisée sont maintenant possibles, de concert avec une stratégie dirigée de tri de bille unique. Puisque la charge, la taille et le nombre de billes représentant le code barres d’un composé donné peuvent être modifiés au besoin, la quantité de chaque intermédiaire synthétique et de chaque membre de la bibliothèque peut ainsi être définie afin d’effectuer des caractérisations de spectroscopie de routine à toute étape de la synthèse de la bibliothèque et des évaluations biologiques des billes ou de phase liquide.

Outre la découverte de médicaments, les résines à codes barres offrent plusieurs possibilités pour la découverte de catalyseurs, les diagnostics biomédicaux, la chimie combinatoire dynamique, la génomique et la protéomique (Fig. 2).