Strasbourg est le berceau de la chimie supramoléculaire et des premières machines synthétiques à l’échelle nanométrique, avec deux prix Nobel de chimie récompensant les chercheurs emblématiques de ces découvertes (Jean-Marie Lehn et Jean-Pierre Sauvage). La capitale alsacienne est aussi dotée de laboratoires de recherche de très haut niveau dans le domaine des nouveaux matériaux dits « intelligents ». L’équipe du professeur Nicolas Giuseppone en fait partie. Installé à l’Institut Charles Sadron depuis 2008, le chercheur a acquis au fil des années une renommée internationale et remporte pour la 2ème fois un financement ERC (European Research Council).
Nicolas Giuseppone développe des molécules capables de s’auto-assembler et de s’organiser spontanément. Le chercheur explique l’intérêt majeur de ses recherches : « Les matériaux que nous utilisons au quotidien sont très statiques, ils ne s’adaptent pas à leur environnement. C’est la grande différence avec les organismes vivants qui utilisent notamment des machines biomoléculaires très complexes capables de réagir aux stimulations extérieures et d’y répondre. Notre objectif est de développer de nouveaux matériaux actifs, composés de petites machines moléculaires artificielles. Ces matériaux seront par exemple capables de se déplacer ou de changer de forme sur commande ».
Créer des matériaux imitant des caractéristiques du vivant permet de mieux comprendre comment la matière inerte acquiert la capacité de répondre à une variation de l’environnement et à s’adapter. C’est aussi un domaine de recherche aux applications prometteuses, par exemple dans les domaines de la santé : « Nos muscles sont des structures fibrillaires qui coulissent entre elles quand nous les contractons. C’est grâce au mouvement de milliers de machines moléculaires naturelles que ce mouvement a lieu. Pouvoir recréer des muscles artificiels en développant des matériaux contractiles serait une formidable avancée pour de futures applications en médecine régénérative. En ce sens, nous avons développé un nouveau type de matériaux où de nombreuses machines moléculaires s’associent et induisent une contraction lorsqu’elles sont activées ». En effet, le Laboratoire a synthétisé un moteur moléculaire dont la rotation est activée par la lumière : sous l’effet des UV, le moteur enroule les chaines polymères du matériau sur elle-même (vidéo 1). L’association de ces milliers de molécules (vidéo 2) entraine la contraction du matériau à l’échelle macroscopique (vidéo 3). Ce matériau contractile est également très robuste et peut soulever jusqu’à 100X sa propre masse (video 4)1.
Dans le futur, ces machines moléculaires pourraient également être utilisées pour détruire des structures problématiques comme les peptides β-amyloïdes. Ces fibres s’accumulent sur les neurones et sont à l’origine de pathologies cérébrales, notamment la maladie d’Alzheimer. « Nous avons synthétisé des moteurs moléculaires capables de s’intercaler entre des fibres très semblables à ces longues chaines de protéines qui tapissent les neurones des malades. Un signal lumineux active les machines, elles se mettent en rotation et parviennent à briser les fibres 2» explique le chercheur tout en précisant que ces recherches sont pour l’instant menées uniquement in vitro et nécessiteront encore de nombreuses années d’études pour être envisagées sur des patients.
Ces nanomachines pourraient ainsi renforcer notre arsenal thérapeutique, en détruisant des structures moléculaires nuisibles à notre organisme, mais aussi en transportant et en délivrant très précisément des médicaments ou en exerçant des pressions mécaniques sur certaines cellules pour stimuler la croissance ou la différenciation de nos tissus. Hors santé, de nombreuses applications peuvent également être développées à partir de ces matériaux capables de percevoir leur environnement et de s’y adapter, notamment pour la robotique, les capteurs et les systèmes de stockage d’énergie.
1. Scalable Approach to Molecular Motor-Polymer Conjugates for Light-Driven Artificial Muscles. Xuyang Yao, et al., 13 April 2024, Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202403514
2. Out-of-equilibrium mechanical disruption of β-amyloid fibers using light-driven molecular motors. Dania Daou, et al. Advanced Materials 2024. https://doi.org/10.1002/adma.202311293
3. Transducing chemical energy through catalysis by an artificial molecular motor. Peng-Lai Wang, et al., Nature 637, 594–600 (15/01/2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08288-x
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