Les physiciens se rapprochent du contrôle des réactions chimiques à l’échelle d’une seule molécule – cela pourrait-il façonner l’avenir de la recherche pharmaceutique ?
Le contrôle de la matière au niveau atomique a fait un grand pas en avant, grâce aux recherches révolutionnaires en nanotechnologie menées par une équipe internationale de scientifiques dirigée par des physiciens de l’université de Bath.
Cette avancée a de profondes implications pour la compréhension scientifique fondamentale. Elle est également susceptible d’avoir d’importantes applications pratiques, telles que la transformation de la manière dont les chercheurs développent de nouveaux médicaments.
Le contrôle des réactions à une seule molécule et à un seul résultat est aujourd’hui presque routinier dans les laboratoires de recherche du monde entier. Par exemple, il y a plus de dix ans, des chercheurs du géant technologique IBM ont montré leur capacité à manipuler des atomes individuels en créant Un garçon et son atome, le plus petit film du monde. Dans ce film, de simples molécules, composées de deux atomes liés ensemble, ont été agrandies 100 millions de fois et positionnées image par image pour raconter une histoire en stop-motion à l’échelle atomique.
Il est toutefois difficile de contrôler les réactions chimiques à résultats multiples. Cela est important car, en général, seuls certains résultats d’une réaction chimique sont utiles. Par exemple, lors de la synthèse de médicaments, un processus chimique qui aboutit à la « cyclisation » produit le composé thérapeutique souhaité, alors que la « polymérisation », un autre résultat, conduit à des sous-produits indésirables.
La possibilité de contrôler précisément les réactions pour favoriser les résultats souhaités et réduire les sous-produits indésirables promet d’améliorer l’efficacité et la durabilité des processus pharmaceutiques.
Microscopie à effet tunnel
La nouvelle étude, publiée aujourd’hui dans la prestigieuse revue Nature Communications, vise à démontrer pour la première fois qu’il est possible d’influencer les résultats de réactions chimiques concurrentes en utilisant la résolution atomique d’un microscope à effet tunnel (STM).
Les microscopes classiques utilisent la lumière et des lentilles pour grossir les échantillons, ce qui nous permet de les observer à l’œil nu ou à l’aide d’un appareil photo. Toutefois, lorsqu’il s’agit d’atomes et de molécules, qui sont plus petits que les longueurs d’onde les plus courtes de la lumière visible, les méthodes traditionnelles ne suffisent pas.
Pour explorer ces domaines minuscules, les scientifiques se tournent vers le microscope à effet tunnel, qui fonctionne un peu comme un tourne-disque.
Avec une pointe qui peut être aussi fine qu’un seul atome, les microscopes à effet tunnel se déplacent sur la surface d’un matériau, mesurant des propriétés telles que le courant électrique pour cartographier chaque point. Cependant, au lieu d’enfoncer la pointe dans la surface comme l’aiguille d’un tourne-disque, la pointe plane juste à la largeur d’un atome au-dessus de la surface.
Lorsqu’elle est connectée à une source d’énergie, les électrons descendent le long de la pointe et font un saut quantique à travers l’espace de la taille d’un atome. Plus la pointe est proche de la surface, plus le courant est fort ; plus elle est éloignée, plus le courant est faible. Cette relation bien définie entre la distance de la pointe et le courant permet au microscope de mesurer et de cartographier la surface de l’atome ou de la molécule en fonction de l’intensité du courant électrique. Au fur et à mesure que la pointe balaie la surface, elle construit une image précise, ligne par ligne, de la surface, révélant des détails invisibles aux microscopes optiques conventionnels.
Réactions à une seule molécule
En utilisant la précision atomique d’un microscope à effet tunnel, les scientifiques peuvent aller au-delà de la cartographie de la surface d’une molécule – ils peuvent à la fois repositionner des atomes et des molécules uniques, et influencer et mesurer la probabilité de voies de réaction spécifiques dans des molécules individuelles.
Le Dr Kristina Rusimova, qui a dirigé l’étude, a détaillé : « En règle générale, la technologie STM est utilisée pour repositionner des atomes et des molécules individuels, ce qui permet des interactions chimiques ciblées, mais la capacité à diriger des réactions avec des résultats concurrents reste un défi. Ces différents résultats se produisent avec certaines probabilités régies par la mécanique quantique – un peu comme si l’on lançait un dé moléculaire. »
« Nos dernières recherches démontrent que le STM peut contrôler la probabilité des résultats des réactions en manipulant sélectivement les états de charge et les résonances spécifiques par l’injection ciblée d’énergie ».
Le Dr Peter Sloan, maître de conférences au département de physique et co-auteur de l’étude, a déclaré :
« Nous avons utilisé la pointe STM pour injecter des électrons dans les molécules de toluène, ce qui a provoqué la rupture des liaisons chimiques et un déplacement vers un site voisin ou une désorption. »
« Nous avons découvert que le rapport entre ces deux résultats était contrôlé par l’énergie des électrons injectés. Cette dépendance énergétique nous a permis de contrôler la probabilité de chaque résultat de réaction par le « chauffage » ciblé d’un état moléculaire intermédiaire, guidé par des seuils d’énergie et des barrières moléculaires précis ».
« Nous avons découvert que le rapport entre ces deux résultats était contrôlé par l’énergie des électrons injectés. Cette dépendance énergétique nous a permis de contrôler la probabilité de chaque résultat de réaction par le « chauffage » ciblé d’un état moléculaire intermédiaire, guidé par des seuils d’énergie et des barrières moléculaires précis ».
Pieter Keenan, doctorant et premier auteur de la publication de la recherche, a ajouté :
« La clé consistait à maintenir des conditions initiales identiques pour les réactions de test – en faisant correspondre le site d’injection précis et l’état d’excitation – puis à faire varier les résultats en se basant uniquement sur l’énergie des électrons injectés. »
« Dans la réponse d’une seule molécule à l’apport d’énergie, les différentes barrières de réaction déterminent les probabilités d’issue de la réaction. Le fait de modifier uniquement l’apport d’énergie nous permet, avec une grande précision, de rendre un résultat de réaction plus probable qu’un autre – de cette manière, nous pouvons « charger les dés moléculaires ».
Le professeur Tillmann Klamroth, de l’université de Potsdam, en Allemagne, a commenté : « Cette étude associe une modélisation théorique avancée à une précision expérimentale, ce qui nous a permis d’acquérir une compréhension novatrice des probabilités de réaction basées sur le paysage énergétique moléculaire. Elle ouvre la voie à de nouvelles avancées dans le domaine des nanotechnologies ».
En ce qui concerne l’avenir, le Dr Rusimova a conclu : « Avec des applications dans les sciences fondamentales et appliquées, cette avancée représente un grand pas en avant vers des systèmes moléculaires entièrement programmables. . »
Légende illustration : Représentation artistique d’un microscope à effet tunnel sondant une molécule de toluène. Crédit : Dr Kristina Rusimova, Hannah Martin et Pieter Keenan
Article : « Measuring competing outcomes of a single-molecule reaction reveals classical Arrhenius chemical kinetics » – DOI: 10.1038/s41467-024-54677-1
Source : U. Bath – Traduction : Enerzine.com
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