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Composés majoritairement d’eau, les hydrogels supramoléculaires sont des matériaux très intéressants pour de multiples applications dans les domaines de la santé et de l’environnement. Pour la recherche biomédicale, ces gels présentent un double avantage : ils possèdent une structure souple et biocompatible capable d’interagir avec les cellules, et il est possible d’y intégrer des molécules thérapeutiques libérées progressivement. De la cicatrisation des plaies à la bio-impression 3D, en passant par la libération contrôlée de médicaments, ces hydrogels nouvelle génération ouvrent la voie à des applications prometteuses en santé. Côté environnement, ces matériaux peuvent aussi intégrer d’autres types de molécules telles que des enzymes capables de dégrader des polluants dans l’eau.
Directeur de l’équipe de recherche SYCOMMOR à l’Institut Charles Sadron de Strasbourg, Loïc Jierry s’intéresse de près à ces nouveaux matériaux : « L’idée de modifier la surface de matériaux par des molécules thérapeutiques n’est pas nouvelle. Certaines approches consistent à adsorber ces molécules, telles que des anti-inflammatoires ou des bactéricides à la surface des prothèses médicales implantées chez les patients. Fonctionnaliser des matériaux couche par couche est une stratégie performante mais qui peut être longue et laborieuse. Grâce au soutien de la Fondation Jean-Marie Lehn, nous avons pu concevoir des hydrogels de surface capables de s’autoassembler, à l’instar de lego à l’échelle moléculaire. Des molécules d’intérêt aux applications diverses peuvent être ajoutées pour rendre l’hydrogel fonctionnel ». Biomimétique, ce matériau s’assemble à la manière des filaments présents dans les cellules vivantes qui se polymérisent depuis la membrane cellulaire.
En collaboration avec l’équipe de Pierre Schaaf, ex-Directeur de l’unité INSERM Biomatériaux et Bioingénierie et également chercheur associé à l’Institut Charles Sadron (CNRS), ainsi que d’autres collaborateurs, Loïc Jierry a publié en 2024 un article1 décrivant la structure de ces hydrogels : « Nos hydrogels supramoléculaires sont constitués de peptides qui s’autoassemblent sous forme de nanofibres visibles au microscope électronique, mais dont nous ignorions l’organisation à l’échelle moléculaire au sein ces fibres. Pour le savoir, nous avons utilisé une technique d’imagerie appelée cryomicroscopie électronique qui consiste à cryogéniser nos hydrogels afin de les figer dans leur état naturel. Ensuite, nous avons utilisé, en autres, des intelligences artificielles pour analyser des milliers d’images de ces fibres afin de modéliser leur structure moléculaire avec une grande précision ».
Cette publication décrit la forme en triple hélice des fibres au sein des hydrogels et précise leur structure tridimensionnelle (figure 1), des informations fondamentales pour mieux comprendre les interactions entre l’hydrogel et les diverses molécules pouvant être intégrées au sein du matériau. Autre intérêt majeur de ces fibres, elles s’assemblent sans liaisons fortes (dites liaisons covalentes), laissant une grande amplitude de mouvement aux cellules vivantes qui s’y trouveraient implémentées. Cette propriété inhérente aux hydrogels en fait un support idéal pour l’ingénierie tissulaire et la création d’organes artificiels.
La même année, les deux équipes ont également publié une élégante démonstration de l’utilité des hydrogels supramoléculaires pour la conception de matériaux biocatalytiques2.
Dans l’industrie chimique, comme celle produisant des médicaments, les molécules sont transformées par des catalyseurs, souvent des métaux pouvant s’avérer toxiques et dangereux pour l’environnement. Leur dépollution engendre des coûts et les industriels s’intéressent de près aux biocatalyseurs, des enzymes ou des peptides catalytiques capables de réaliser les mêmes réactions chimiques, de manière non toxique et non polluante. Loïc Jierry précise pourquoi ces peptides catalytiques ont besoin d’un support résistant pour de futures applications à l’échelle industrielles : « Les peptides qui transforment leur substrat en produit ont besoin d’être fixés sur un support, car ils coûtent cher à produire et il faut pouvoir les récupérer facilement. Nous avons développé un support à partir de mousse polymère dont les pores sont recouverts d’hydrogel à base des peptides autoassemblés dont résulte une activité catalytique. Cette structure originale présente de nombreux avantages pour une application destinée aux procédés industriels en flux continu : un liquide sous pression contenant le substrat traverse la structure fixée dans un canal en passant dans les pores de la mousse. Une fois en contact avec l’hydrogel à base de peptides, le liquide ressort chargé du produit de la réaction catalytique, le tout, sans déloger les peptides qui se maintiennent au sein de l’hydrogel ». La démonstration a été réalisée avec un hydrogel biocatalytique transformant un substrat incolore en produit de couleur jaune (figure 2). Cette catalyse en flux présente l’avantage de transformer en continu un substrat donné en produit avec peu de peptides, en quantité modulable et sans nécessiter de grandes quantités de réactifs à stocker.
La volonté de développer des solutions pensées pour des applications industrielles est un impératif pour le chercheur qui a ouvert en novembre 2024 un laboratoire commun CNRS avec l’entreprise ALYSOPHIL : « ActivIAflow est un laboratoire qui combine notre expertise dans le domaine des hydrogels supramoléculaires biocatalytiques et le savoir-faire d’ALYSOPHIL, une entreprise spécialisée dans la conception de micro-usines s’appuyant sur la chimie en flux et l’intelligence artificielle. Cette entreprise a développé une solide expertise dans la génération de molécules d’intérêt grâce à l’IA, une technologie reposant sur des bases de données et des algorithmes qu’ils ont développés. Leur expertise leur permet ainsi de proposer des structures susceptibles de répondre aux besoins précis pour l’industrie de la cosmétique ou de la défense (de nouveaux carburants techniques, une molécule qui sent la rose pour un futur parfum, etc.) ». Une fois la molécule modélisée, puis synthétisée, elle pourra être testée et enfin produite par ces micro-usines avec une production sur commande.
D’abord exploré sous un angle fondamental, le développement de ces hydrogels aux nombreuses applications illustre une fois de plus l’importance de soutenir des projets de recherche ambitieux très en amont. La Fondation Jean-Marie Lehn est fière de s’engager dans cette mission, permettant l’émergence de solutions innovantes aussi prometteuses que celles développées par l’équipe de Loïc Jierry et ses partenaires.
1. 3D Cryo-Electron Microscopy Reveals the Structure of a 3-Fluorenylmethyloxycarbonyl Zipper Motif Ensuring the Self-Assembly of Tripeptide Nanofibers. Alexis Bigo-Simon, Leandro F. Estrozi, Alain Chaumont, Rachel Schurhammer, Guy Schoehn, Jérôme Combet, Marc Schmutz, Pierre Schaaf, and Loïc Jierry. ACS Nano 2024 18 (44), 30448-30462. DOI: 10.1021/acsnano.4c08043
2. Supported Supramolecular Hydrogel Nanoarchitectonics for Tunable Biocatalytic Flow Activity. Shahaji H. More, Jean-Yves Runser, Aymeric Ontani, Jennifer Rodon Fores, Alain Carvalho,Christian Blanck, Christophe A. Serra, Marc Schmutz, Pierre Schaaf, and Loïc Jierry. Small 2024, 2405326. DOI: 10.1002/smll.202405326
