Des moteurs moléculaires pilotés par la lumière

Les moteurs moléculaires rotatifs ont été créés en 1999, dans le laboratoire de Ben Feringa, professeur de chimie organique à l’université de Groningue. Ces moteurs sont actionnés par la lumière. Pour de nombreuses raisons, il serait bon de pouvoir rendre ces molécules motrices visibles. La meilleure façon de le faire est de les rendre fluorescentes. Cependant, combiner deux fonctions médiées par la lumière dans une seule molécule est un véritable défi.

Le laboratoire de Feringa a réussi à le faire, de deux manières différentes. Ces deux types de moteurs rotatifs actionnés par la lumière fluorescente ont été décrits dans Nature Communications (30 septembre) et Science Advances (4 novembre).

Après la conception réussie de moteurs moléculaires au cours des dernières décennies, un autre objectif important était de contrôler diverses fonctions et propriétés à l’aide de ces moteurs », explique Feringa, qui a partagé le prix Nobel de chimie en 2016. Comme il s’agit de moteurs rotatifs alimentés par la lumière, il est particulièrement difficile de concevoir un système qui aurait une autre fonction contrôlée par l’énergie lumineuse, en plus du mouvement de rotation.

Unique en son genre

Feringa et son équipe se sont particulièrement intéressés à la fluorescence, car il s’agit d’une technique de choix, largement utilisée pour la détection, par exemple en imagerie biomédicale. Habituellement, deux événements photochimiques de ce type sont incompatibles dans la même molécule : soit le moteur actionné par la lumière fonctionne et il n’y a pas de fluorescence, soit il y a fluorescence et le moteur ne fonctionne pas. Feringa : « Nous avons maintenant démontré que les deux fonctions peuvent exister en parallèle dans le même système moléculaire, ce qui est plutôt unique« .

Ryojun Toyoda, un chercheur postdoctoral du groupe de Feringa, qui occupe désormais un poste de professeur à l’université Tohoku au Japon, a ajouté un colorant fluorescent à un moteur rotatif classique de Feringa. « L’astuce consistait à empêcher ces deux fonctionnalités de se bloquer mutuellement« , explique Toyoda. Il a réussi à supprimer les interactions directes entre le colorant et le moteur. « Pour ce faire, il a positionné le colorant perpendiculairement à la partie supérieure du moteur auquel il était fixé. Cela limite l’interaction« , ajoute t-il.

Des couleurs différentes

De cette façon, la fluorescence et la fonction rotative du moteur peuvent coexister. En outre, il s’est avéré que le changement de solvant permet de régler le système : « En faisant varier la polarité du solvant, l’équilibre entre les deux fonctions peut être modifié ». Cela signifie que le moteur est devenu sensible à son environnement, ce qui pourrait ouvrir la voie à de futures applications.

La co-auteure Shirin Faraji, professeur de chimie théorique à l’université de Groningue, a contribué à expliquer comment cela se produit. Kiana Moghaddam, post-doctorante dans son groupe, a effectué des calculs de mécanique quantique approfondis et a démontré comment les principales énergies régissant la dynamique photo-excitée dépendent fortement de la polarité du solvant.

Une autre propriété utile de cette molécule motrice fluorescente est que différents colorants peuvent y être attachés, pour autant qu’ils aient une structure similaire. « Il est donc relativement facile de créer des moteurs qui brillent de différentes couleurs« , comment à nouveau Toyoda.

Antenne

Un deuxième moteur fluorescent a été construit par Lukas Pfeifer, également en tant que chercheur postdoctoral dans le groupe de Feringa. Il a depuis rejoint l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse : « Ma solution était basée sur une molécule motrice que j’avais déjà fabriquée et qui est actionnée par deux photons à faible énergie dans le proche infrarouge ». Les moteurs alimentés par la lumière proche de l’infrarouge sont utiles dans les systèmes biologiques, car cette lumière pénètre plus profondément dans les tissus que la lumière visible et est moins nocive pour les tissus que la lumière UV.« 

« J’ai ajouté une antenne à la molécule du moteur qui recueille l’énergie de deux photons infrarouges et la transfère au moteur. En travaillant sur ce projet, nous avons découvert qu’avec quelques modifications, l’antenne pouvait également provoquer une fluorescence« , dit M. Pfeifer. Il s’est avéré que la molécule peut avoir deux états excités différents : dans un état, l’énergie est transférée à la partie moteur et entraîne la rotation, tandis que l’autre état provoque la fluorescence de la molécule.

Puissance

« Dans le cas de ce deuxième moteur, la molécule entière est fluorescente« , explique le professeur Maxim Pshenichnikov, qui a effectué l’analyse spectroscopique des deux types de moteurs fluorescents et qui est co-auteur des deux articles. Ce moteur est une entité chimique sur laquelle la fonction d’onde n’est pas localisée et, selon le niveau d’énergie, il peut avoir deux effets différents. En modifiant la longueur d’onde de la lumière, et donc l’énergie que la molécule reçoit, on obtient soit une rotation, soit une fluorescence« . Faraji ajoute : « Notre approche synergique en principe et en pratique met en évidence l’interaction entre les études théoriques et expérimentales, et illustre la puissance de tels efforts combinés« .

Maintenant que l’équipe a combiné le mouvement et la fluorescence dans la même molécule, l’étape suivante consisterait à montrer la motilité et à détecter l’emplacement de la molécule simultanément en traçant la fluorescence. Feringa : « C’est très puissant et nous pourrions l’appliquer pour montrer comment ces moteurs pourraient traverser une membrane cellulaire ou se déplacer à l’intérieur d’une cellule, car la fluorescence est une technique largement utilisée pour montrer où se trouvent les molécules dans les cellules. Nous pourrions également l’utiliser pour suivre le mouvement induit par le moteur alimenté par la lumière, par exemple sur une trajectoire à l’échelle nanométrique, ou peut-être pour suivre le transport induit par le moteur à l’échelle nanométrique. Tout cela fait partie du suivi de la recherche.« 

Légende / Voici les premiers auteurs des deux articles décrits dans le reportage, Lukas Pfeifer (L) et Ryojun Toyoda. Tous deux ont réussi à fabriquer un moteur moléculaire actionné par la lumière fluorescente. C’est la première fois que deux propriétés photochimiques sont combinées dans une molécule motrice.

Crédit : École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse et Université de Tohoku, Japon.

References:

Ryojun Toyoda, Nong V. Hoang, Kiana Gholamjani Moghaddam, Stefano Crespi, Daisy R. S. Pooler, Shirin Faraji, Maxim S. Pshenichnikov and Ben L. Feringa: Synergistic interplay between photoisomerization and photoluminescence in a light-driven rotary molecular motor. Nature Communications, 30 September 2022.

Lukas Pfeifer, Nong V. Hoang, Stefano Crespi, Maxim S. Pshenichnikov and Ben L. Feringa: Dual-function artificial molecular motors performing rotation and photoluminescence. Science Advances 4 November 2022.

Article : Dual-function artificial molecular motors performing rotation and photoluminescence