Une ligne d'assemblage au format nano
Des chercheurs de l'ETH ont réalisé un rêve de longue date : ils ont développé, sur le modèle industriel, une minuscule ligne de production servant à l'assemblage de molécules biologiques.
De nos jours, les voitures, les avions ou de nombreux produits électroniques sont assemblés étape par étape à l'aide de lignes de montage sophistiquées. Les éléments essentiels de ces lignes sont des supports de montage mobiles sur lesquels sont fixés les objets, par exemple une carrosserie de voiture. Les pièces à assembler sont fixées à la carrosserie au cours de nombreuses étapes dont l'ordre est défini avec précision dans l'espace et dans le temps, jusqu'à ce que le véhicule soit assemblé à la fin de la ligne.
Transférer une telle ligne d'assemblage au niveau moléculaire était un rêve de longue date de nombreux nanoscientifiques. "Il serait ainsi possible d'assembler de manière ciblée de nouvelles substances ou matériaux complexes", explique Viola Vogel, professeure de mécanobiologie appliquée à l'ETH Zurich. Avec son équipe, elle s'est attaquée à ce projet ambitieux et peut désormais se targuer d'un beau succès. Dans une publication qui vient de para?tre dans la revue spécialisée "Lab on a Chip" de la Royal Society of Chemistry, les chercheurs de l'ETH présentent une ligne d'assemblage moléculaire dans laquelle on retrouve tous les éléments d'une cha?ne de fabrication connue dans la vie quotidienne : Un support de montage mobile et un objet de montage, des pièces à assembler qui sont montées à différentes stations ; de plus, un entra?nement pour le support de montage, y compris le carburant, afin que le support de montage puisse se déplacer avec l'objet d'une station de fabrication à la suivante.
Ligne de production trois fois plus fine qu'un cheveu
La ligne d'assemblage est con?ue en format miniature comme une plateforme microfluidique dans laquelle une solution aqueuse est pompée. Cette plateforme est essentiellement un système de canaux. Le canal principal mesure à peine 30 micromètres de large, soit environ trois fois plus fin qu'un cheveu humain. Plusieurs affluents et déversements y débouchent à angle droit. La plate-forme a été développée par le doctorant de Vogel, Dirk Steuerwald. Le prototype a été fabriqué dans la salle blanche d'IBM Research -Zurich à Rüschlikon.
Le système de canaux est recouvert d'un tapis de kinésine, une "protéine moteur". Cette protéine possède deux têtes mobiles dont le mouvement est d? à une molécule riche en énergie, l'ATP. L'ATP fournit de l'énergie aux cellules des êtres humains et d'autres organismes vivants et constitue donc également le carburant de choix dans ce système artificiel.
Assemblage par étapes des molécules
Les chercheurs de l'ETH ont utilisé comme support de montage des microtubules, des polymères protéiques filiformes qui assurent le transport des marchandises dans les cellules en collaboration avec la kinésine. La kinésine peut se lier aux microtubules avec ses têtes mobiles et faire avancer les microtubules gr?ce au mouvement. Ce mouvement est soutenu par le flux de liquide pompé dans le système de canaux. Cinq entrées et sorties assurent un flux dirigé dans le canal principal et le divisent en segments bien distincts les uns des autres, qui ne se mélangent pas : une zone d'atterrissage dans laquelle les supports de montage sont insérés, deux stations de montage et deux autres zones comme stations finales où le produit est livré.
Les chercheurs peuvent introduire les objets dans le système via les lignes d'alimentation des segments de montage. Dans leur travail le plus récent, les collaborateurs ont travaillé à des fins de test avec la molécule neutravidine, qui est la première à se lier à la nano-navette. Un court morceau de substance génétique (ADN) se lie ensuite à la neutravidine, formant ainsi un petit complexe moléculaire.
Encore un long chemin du principe à l'application
Bien que l'équipe de Viola Vogel ait maintenant réalisé un rêve de longue date avec ce travail, la professeure de l'ETH se montre encore prudente : "Le système n'en est qu'à ses débuts, nous sommes encore loin d'une application technique". Ils ont seulement prouvé ici que le principe fonctionne.
Elle fait remarquer qu'il semble assez simple de construire un tel système de nano-navettes moléculaires. Mais chaque composant individuel du système renferme beaucoup de travail de réflexion et de connaissances issues de différentes disciplines. Former une unité fonctionnelle à partir de composants individuels reste un grand défi. "Nous avons également beaucoup réfléchi à la manière de concevoir les propriétés mécaniques des liaisons afin de charger les navettes avec leur cargaison et de les retirer également au bon endroit".
Utiliser des moteurs biologiques pour des applications techniques n'est pas chose aisée. Les moteurs moléculaires comme la kinésine doivent pour cela être retirés de leur contexte biologique et intégrés dans une structure artificielle sans perdre leur fonctionnalité. Les chercheurs ont également d? réfléchir à la manière d'alimenter les moteurs en énergie, de construire des supports de montage, de concevoir le "rail" et les stations de montage. "Ce sont tous des problèmes séparés que nous avons maintenant pu combiner en un tout fonctionnel", se réjouit Vogel.
Produits sophistiqués de la ligne de nano-assemblage
Les chercheurs ont en tête de nombreuses applications possibles, comme la modification ciblée de biomolécules telles que les protéines ou l'ADN, l'assemblage de composants nanotechnologiques ou de petits biopolymères, ou encore la modification chimique de nanotubes de carbone. "Le système doit encore être optimisé à l'avenir, et nous devons continuer à apprendre beaucoup sur la manière de concevoir les différents composants de ce système de nano-navettes, afin qu'il soit un jour disponible pour de telles applications", explique la professeure de l'ETH. Les conditions pour poursuivre les recherches dans ce domaine sont excellentes : Son groupe fait désormais partie du nouveau P?le de recherche national (en anglais : NCCR) établi à B?le "Molecular Systems Engineering : Engineering functional molecular modules to factories".
Référence bibliographique
Steuerwald D, Früh SM, Griss R, Lovchik RD, Vogel V. Nanoshuttles propelled by motor proteins sequentially assemble molecular cargo in a microfluidic device. Lab on a chip, Royal Society of Chemistry 2014, publié en ligne le 25 juin, DOI : page externe10.1039/c4lc00385c