Surprenantes interactions

Prenons un anion (fragment moléculaire portant une charge négative) et une molécule aromatique (système comportant un ensemble coordonné de liaisons doubles – riches en électrons – entre atomes de carbone). Intuitivement, ces deux entités ne devraient pas entrer en contact fructueux et n’exprimer aucun « atome crochu », en raison des répulsions qui existent entre charges de même nature.

Pour pouvoir attirer les anions, il est nécessaire d’« aspirer » les électrons présents sur les noyaux aromatiques jusqu'à ce que l’impensable arrive et que ces noyau deviennent positifs. Des noyaux aromatiques déficients en électrons sont déjà connus pour leurs propriétés explosives, comme le TNT par exemple ; avec ses résultats inédits, l’équipe genevoise a su apprivoiser cette énergie explosive et la canaliser pour la rendre utile et utilisable.

C’est ce contact attractif, baptisé « interaction anion–π », que les chimistes ont réussi à observer en action et à décrypter pour en comprendre le fonctionnement et le rôle.

Intuition n’est pas toujours raison

Le Professeur Stefan Matile a forgé sa renommée en construisant des architectures supramoléculaires complexes mimant les pores des membranes biologiques ou procédant à la photosynthèse artificielle. Le moteur qui anime le chimiste genevois, c’est la contre-intuition et la créativité, à l’image de Schoenberg puis Stockhausen qui repensèrent l’écriture musicale sous forme dodécaphonique pour sortir des sentiers battus.

C’est sur ces bases que le chimiste genevois a développé pour son nouvel exploit une large panoplie de molécules aromatiques différemment décorées, qu’il a soumises à des anions pour étudier le comportement des paires antagonistes. Les chercheurs ont observé que selon l’entité aromatique et l’anion considérés, des « interaction anion–π » induisent un transport observable de l’anion au travers du système, de manière similaire au processus complexe qui guide probablement les anions d’une face à l’autre des membranes cellulaires.

Ces résultats expérimentaux, totalement inédits, ont ensuite été confirmés par des calculs théoriques démontrant clairement que les nuages d’électrons de certains transporteurs et anions interagissent favorablement, tandis qu’ils sont inefficaces dans d’autres situations.

Les candidats les plus puissants sont des composés aromatiques qui sont beaucoup plus pauvres en électrons que le TNT. Ces candidats sont cependant totalement inoffensifs et possèdent un pouvoir d’« interaction anion–π » extraordinairement élevé. Des spécialistes berlinois, dirigés par le Professeur Christoph Schalley, ont confirmé, avec des expériences sophistiquées menées sous vide, la nature innovatrice des interactions mises en oeuvre à Genève.

La nouvelle note est dès lors officialisée dans la partition des chimistes et lorsque les conditions de reconnaissance moléculaire sont respectées, les subtiles interactions et le transport peuvent alors s’effectuer de manière sélective et efficace, à tel point qu’il existe une relation directe entre la nature de l’interaction et la fonctionnalité du système considéré.

Pour une musicologie nouvelle en chimie et en biologie

Pour mieux comprendre l’importance que revêt l’identification d’une nouvelle liaison chimique, il faut comparer la gamme des notes du chimiste à celle qui sont à disposition du biologiste.

L’ADN, partition génétique de toute cellule, fabrique l’ensemble des protéines indispensables à la vie à partir de quatre briques élémentaires (A : adénine ; T : thymine ; G : guanine ; C : cytosine). En créant de nouvelles briques élémentaires et en les insérant dans de l’ADN « traditionnel », des chimistes sont parvenus à induire la production de structures protéiques inédites et, surtout, à élargir drastiquement la gamme des substances qu’une cellule vivante peut être programmée à produire.

Par analogie, avec le type de liaison que Stefan Matile a identifiée, le chimiste accroît radicalement sa gamme de combinaisons et peut dès lors imaginer la construction de molécules exotiques et subtiles aux fonctions novatrices.

Comme exemple d’application, Stefan Matile rappelle que les stéroïdes naturels sont synthétisés grâce à des cascades de réactions biologiques impliquant des interactions traditionnelles entre cations (fragments moléculaires portant une charge positive) et entités aromatiques (on parle dans ce cas d’« interaction cation–π »). La mise en oeuvre des inédites « interaction anion–π » permettrait alors enfin de catalyser de nombreuses réactions complémentaires impliquant des intermédiaires anioniques.

De même, la création de nouveaux senseurs chimiques intelligents, conçus avec l’aide des « interaction anion–π », est envisagée pour comprendre in vivo les processus de respiration et de signalisation cellulaire, de vasodilatation, de protection des tissus, ou encore de dysfonctionnement des canaux ioniques, tels qu’ils apparaissent chez les personnes atteintes de maladies cardiovasculaires.

Selon le chercheur genevois, qui vient de recevoir la direction de l’un des sept modules du tout nouveau Pôle de Recherche National « Biologie chimique » attribué à l’Université de Genève, l’ajout d’une note supplémentaire à la partition du chimiste est une opportunité inestimable de repenser dès aujourd’hui le catalogue des symphonies moléculaires.

^{Notice d'information scientifique préparée par le}