Nouveau mécanisme de transfert de chiralité entre molécules dans le domaine nanométrique

Chiralité : des particules fondamentales aux biomolécules

29.04.2022 - Espagne

Si l'on compare la main droite à la main gauche, on constate qu'il s'agit d'images spéculaires - c'est-à-dire comme des formes symétriques reflétées dans un miroir - et qu'elles ne peuvent pas se superposer l'une à l'autre. Cette propriété est la chiralité, une caractéristique de la matière qui joue avec la symétrie des structures biologiques à différentes échelles, de la molécule d'ADN aux tissus du muscle cardiaque.

Aujourd'hui, un nouvel article publié dans Nature Communications révèle un nouveau mécanisme permettant de transférer la chiralité entre les molécules à l'échelle nanométrique, selon une étude dirigée par le maître de conférences de l'UB Josep Puigmartí-Luis, de la Faculté de chimie et de l'Institut de chimie théorique et computationnelle (IQTC) de l'Université de Barcelone.

La chiralité : des particules fondamentales aux biomolécules

La chiralité est une propriété intrinsèque de la matière qui détermine l'activité biologique des biomolécules. "La nature est asymétrique, elle a une gauche et une droite et sait faire la différence entre les deux. Les biomolécules qui constituent la matière vivante -aminoacides, sucres et lipides- sont chirales : elles sont formées de molécules chimiquement identiques qui sont les images spéculaires les unes des autres (énantiomères), une caractéristique qui leur confère des propriétés différentes en tant que composés actifs (activité optique, action pharmacologique, etc.)", note Josep Puigmartí-Luis, chercheur à l'ICREA et membre du département de science des matériaux et de chimie physique.

Nœuds moléculaires - gauche et droite : Comment les molécules forment des nœuds

Lire le actualité

"Les énantiomères sont chimiquement identiques jusqu'à ce qu'ils soient placés dans un environnement chiral qui peut les différencier (comme la bonne chaussure "reconnaît" le bon pied). Les systèmes vivants, constitués de molécules homochirales, sont des environnements chiraux (avec le même énantiomère), sont des environnements chiraux donc ils peuvent 'reconnaître' et répondre de manière différente aux espèces énantiomères. En outre, ils peuvent facilement contrôler le signe chiral dans les processus biochimiques en donnant des transformations stéréospécifiques".

Comment obtenir des molécules chirales par des réactions chimiques ?

Le contrôle de la chiralité est décisif dans la production de médicaments, de pesticides, d'arômes, de saveurs et d'autres composés chimiques. Chaque énantiomère (molécule présentant une certaine symétrie) possède une certaine activité qui est différente de celle de l'autre composé chimiquement identique (son image spéculaire). Dans de nombreux cas, l'activité pharmacologique d'un énantiomère peut être rare, et dans le pire des cas, elle peut être très toxique. "C'est pourquoi les chimistes doivent être capables de fabriquer des composés sous forme d'énantiomères uniques, ce que l'on appelle la synthèse asymétrique", explique M. Puigmartí-Luis.

Il existe plusieurs stratégies pour contrôler le signe de chiralité dans les processus chimiques. Par exemple, l'utilisation de composés énantiopurs naturels connus sous le nom de pool chiral (par exemple, des acides aminés, des hydroxyacides, des sucres) comme précurseurs ou réactifs qui peuvent devenir un composé d'intérêt après une série de modifications chimiques. La résolution chirale est une autre option qui permet de séparer les énantiomères par l'utilisation d'un agent de résolution énantiomériquement pur, et de récupérer les composés d'intérêt sous forme d'énantiomères purs. L'utilisation d'auxiliaires chiraux qui aident un substrat à réagir de manière diastéréosélective est une autre méthodologie efficace pour obtenir un produit énantiomériquement pur. Enfin, la catalyse asymétrique - basée sur l'utilisation de catalyseurs asymétriques - est la meilleure procédure pour parvenir à la synthèse asymétrique.

"Chaque méthode décrite ci-dessus a ses avantages et ses inconvénients", note Alessandro Sorrenti, membre de la section de chimie organique de l'université de Barcelone et collaborateur de l'étude. "Par exemple, la résolution chirale - la méthode la plus répandue pour la production industrielle de produits énantiomériquement purs - est intrinsèquement limitée à un rendement de 50 %. Le pool chiral est la source la plus abondante de composés énantiopurs, mais généralement, un seul énantiomère est disponible. La méthode des auxiliaires chiraux peut offrir des excès énantiomériques élevés mais elle nécessite des phases de synthèse supplémentaires pour ajouter et retirer le composé auxiliaire, ainsi que des étapes de purification. Enfin, les catalyseurs chiraux peuvent être efficaces et ne sont utilisés qu'en petites quantités, mais ils ne fonctionnent bien que pour un nombre relativement restreint de réactions".

"Toutes les méthodes mentionnées font appel à des composés énantiomériquement purs - sous la forme d'agents de résolution, d'auxiliaires ou de ligands pour les catalyseurs métalliques -, qui proviennent en fin de compte directement ou indirectement de sources naturelles. En d'autres termes, la nature est la forme ultime de l'asymétrie".

Contrôler le signe de chiralité par la dynamique des fluides

Le nouvel article décrit comment la modulation de la géométrie d'un réacteur hélicoïdal à un niveau macroscopique permet de contrôler le signe de chiralité d'un processus à une échelle nanométrique, une découverte sans précédent à ce jour dans la littérature scientifique.

De plus, la chiralité est transférée de haut en bas, avec la manipulation du tube hélicoïdal jusqu'au niveau moléculaire, par l'interaction de l'hydrodynamique des flux secondaires asymétriques et du contrôle spatio-temporel des gradients de concentration des réactifs.

"Pour que cela fonctionne, nous devons comprendre et caractériser les phénomènes de transport qui se produisent dans le réacteur, à savoir la dynamique des fluides et le transport de masse, qui déterminent la formation de fronts de concentration de réactifs et le positionnement de la zone de réaction dans des régions de chiralité spécifique", note M. Puigmartí-Luis.

Dans un canal hélicoïdal, l'écoulement est plus complexe que dans un canal droit, car les parois courbes génèrent des forces centrifuges qui entraînent la formation d'écoulements secondaires dans le plan perpendiculaire à la direction du fluide (écoulement principal). Ces flux secondaires (tourbillons) ont une double fonction : ils constituent des régions de chiralité opposée et construisent l'environnement chiral nécessaire à l'énantiosélection. En outre, par advection à l'intérieur du dispositif et pour le développement de gradients de concentration des réactifs.

En modulant la géométrie du réacteur hélicoïdal au niveau macroscopique, "il est possible de contrôler l'asymétrie des flux secondaires de telle sorte que la zone de réaction, la région où les réactifs se rencontrent à une concentration appropriée pour réagir, soit exposée exclusivement à l'un des deux tourbillons, et donc à une chiralité spécifique. Ce mécanisme de transfert de chiralité, basé sur le contrôle rationnel du flux de fluide et du transport de masse, permet finalement de contrôler l'énantiosélection en fonction de la chiralité macroscopique du réacteur hélicoïdal, où la chiralité de l'hélice détermine le sens de l'énantiosélection", explique M. Puigmartí-Luis.

Les résultats mettent en lumière de nouvelles possibilités de réaliser l'énantiosélection au niveau moléculaire - sans utiliser de composés énantiopurs - uniquement en combinant la géométrie et les conditions de travail des réacteurs fluides. "Notre étude fournit également une nouvelle vision fondamentale des mécanismes qui sous-tendent le transfert de chiralité, démontrant que cette propriété intrinsèque de la matière vivante est basée sur l'interaction de restrictions physiques et chimiques agissant en synergie sur de multiples échelles de longueur", conclut le maître de conférences Josep Puigmartí-Luis.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.