Un nouveau réseau organométallique d'origine biologique imite l'ADN

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Des ingénieurs chimistes de l’EPFL ont créé un réseau organométallique d’origine biologique sur lequel la liaison hydrogène qui forme la double hélice de l’ADN peut être reproduite et étudiée comme jamais auparavant.

Les sciences des matériaux ont fait parler d’elles grâce aux «réseaux organométalliques» (MOF pour metal-organic framework), des composés polyvalents d’ions métalliques qui sont reliés par des ligands organiques et forment des structures à une, deux ou trois dimensions. Les MOF comptent aujourd’hui un nombre croissant d’applications, comme la séparation de produits pétrochimiques, l’élimination des métaux lourds et des anions fluorures dans l’eau ainsi que l’extraction d’hydrogène ou même d’or à partir de l’eau.

Récemment, des scientifiques ont commencé à synthétiser des MOF composés d’éléments typiques des biomolécules, comme les acides aminés pour les protéines ou les acides nucléiques pour l’ADN. Hormis l’usage courant des MOF dans les catalyses chimiques, ces MOF d’origine biologique peuvent servir de modèles pour des biomolécules complexes difficiles à isoler et à étudier autrement.

Une équipe d’ingénieurs chimistes de l’EPFL Valais Wallis a désormais synthétisé un nouveau MOF d’origine biologique qui peut être utilisé comme «nanoréacteur», afin que des réactions minuscules, inaccessibles autrement, puissent s’y dérouler. Sous la direction de Kyriakos Stylianou, des scientifiques des laboratoires de Berend Smit et de Lyndon Emsley ont conçu et analysé le nouveau MOF composé de molécules d’adénine, l’une des quatre bases azotées présentes dans l’ADN et l’ARN.

L’objectif de cette opération consistait à imiter les fonctions de l’ADN, dont les interactions par liaison hydrogène entre l’adénine et la thymine, une autre base azotée. Il s’agit d’une étape cruciale dans la formation de la double hélice de l’ADN, qui contribue également au pliage global de l’ADN et de l’ARN au sein de la cellule.

Lors de l’étude du nouveau MOF, les chercheurs ont découvert que des molécules de thymine se diffusaient au sein des pores. En simulant cette diffusion, ils ont remarqué qu’elles étaient reliées par des liaisons hydrogène à des molécules d’adénine dans les cavités du MOF. En d’autres termes, ce dernier était capable d’imiter ce qui se produit sur l’ADN.

«Les molécules d’adénine agissent comme des agents qui dirigent les structures et ‘bloquent’ les molécules de thymine dans des positions spécifiques au sein des cavités de notre MOF», explique Kyriakos Stylianou. Les chercheurs ont ainsi tiré profit de ce blocage et éclairé le MOF chargé de thymine afin de catalyser une réaction chimique.

Cette irradiation a transformé les molécules de thymine en dimères de thymine, que les scientifiques ont ensuite pu isoler. Il s’agit d’un avantage considérable pour étudier le dimère de thymine, qui est lié au cancer de la peau.

«En somme, notre étude souligne l’utilité des MOF d’origine biologique comme nanoréacteurs pour capturer des molécules biologiques par des interactions spécifiques et pour les transformer en d’autres molécules», conclut Kyriakos Stylianou.

Autres contributeurs

  • University College de Londres
  • Université de Southampton
  • Université de Liverpool
Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique (subside Ambizione Energy et PRN MARVEL), ERC Advanced Grant, UK’s Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Centre suisse de calcul scientifique (CSCS)

Références

Samantha L. Anderson, Peter G. Boyd, Andrzej Gładysiak, Tu N. Nguyen, Robert G. Palgrave, Dominik Kubicki, Lyndon Emsley, Darren Bradshaw, Matthew J. Rosseinsky, Berend Smit, Kyriakos C. Stylianou. Nucleobase pairing and photodimerization in a biologically derived metal-organic framework nanoreactor. Nature Communications 08 April 2019. DOI: 10.1038/s41467-019-09486-2


Source: EPFL