Fluorescence obtenue dans les moteurs moléculaires pilotés par la lumière

Les moteurs moléculaires rotatifs ont été créés pour la première fois en 1999, dans le laboratoire de Ben Feringa, professeur de chimie organique à l’université de Groningue. Ces moteurs sont entraînés par la lumière. Pour de nombreuses raisons, il serait bon de pouvoir rendre visibles ces molécules motrices. La meilleure façon de le faire est de les rendre fluorescents. Cependant, combiner deux fonctions médiées par la lumière dans une seule molécule est assez difficile. Le laboratoire Feringa a maintenant réussi à le faire, de deux manières différentes. Ces deux types de moteurs rotatifs à lumière fluorescente ont été décrits dans Communication Nature (30 septembre) et Avancées scientifiques (4 novembre).

« Après la conception réussie des moteurs moléculaires au cours des dernières décennies, un autre objectif important était de contrôler diverses fonctions et propriétés à l’aide de ces moteurs », explique Feringa, qui a partagé le prix Nobel de chimie en 2016. « Comme ceux-ci sont alimentés par la lumière moteurs rotatifs, il est particulièrement difficile de concevoir un système qui aurait une autre fonction contrôlée par l’énergie lumineuse, en plus du mouvement de rotation. »

Feringa et son équipe se sont particulièrement intéressés à la fluorescence puisqu’il s’agit d’une technique de choix largement utilisée pour la détection, par exemple en imagerie biomédicale. Habituellement, deux événements photochimiques de ce type sont incompatibles dans la même molécule; soit le moteur actionné par la lumière fonctionne et il n’y a pas de fluorescence, soit il y a fluorescence et le moteur ne fonctionne pas. Feringa déclare : « Nous avons maintenant démontré que les deux fonctions peuvent exister en parallèle dans le même système moléculaire, ce qui est plutôt unique.

Ryojun Toyoda, chercheur postdoctoral dans le groupe Feringa, qui occupe maintenant un poste de professeur à l’Université de Tohoku au Japon, a ajouté un colorant fluorescent à un moteur rotatif Feringa classique. « L’astuce consistait à empêcher ces deux fonctionnalités de se bloquer l’une l’autre », explique Toyoda. Il a réussi à étouffer les interactions directes entre le colorant et le moteur. Cela a été fait en positionnant le colorant perpendiculairement à la partie supérieure du moteur auquel il était attaché. « Cela limite l’interaction », explique Toyoda.

Couleurs différentes

De cette façon, la fluorescence et la fonction rotative du moteur peuvent coexister. De plus, il s’est avéré que changer de solvant lui permet d’ajuster le système : « En faisant varier la polarité du solvant, l’équilibre entre les deux fonctions peut être modifié. Cela signifie que le moteur est devenu sensible à son environnement, ce qui pourrait ouvrir la voie à de futures applications.

Le co-auteur Shirin Faraji, professeur de chimie théorique à l’université de Groningue, a aidé à expliquer comment cela se produit. Kiana Moghaddam, post-doctorante dans son groupe, a effectué des calculs de mécanique quantique approfondis et a démontré comment l’énergétique clé régissant la dynamique photo-excitée dépend fortement de la polarité du solvant.

Une autre propriété utile de cette molécule motrice fluorescente est que différents colorants peuvent y être attachés tant qu’ils ont une structure similaire. « Ainsi, il est relativement facile de créer des moteurs qui brillent de différentes couleurs », explique Toyoda.

Antenne

Un deuxième moteur fluorescent a été construit par Lukas Pfeifer, également alors qu’il travaillait comme chercheur postdoctoral dans le groupe Feringa. Il a depuis rejoint l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse : « Ma solution était basée sur une molécule motrice que j’avais déjà fabriquée, qui est entraînée par deux photons proches de l’infrarouge de faible énergie. » Les moteurs alimentés par la lumière proche infrarouge sont utiles dans les systèmes biologiques, car cette lumière pénètre plus profondément dans les tissus que la lumière visible et est moins nocive pour les tissus que la lumière UV.

« J’ai ajouté une antenne à la molécule motrice qui collecte l’énergie de deux photons infrarouges et la transfère au moteur. En travaillant là-dessus, nous avons découvert qu’avec quelques modifications, l’antenne pouvait également provoquer une fluorescence », explique Pfeifer. Il s’est avéré que la molécule peut avoir deux états excités différents : dans un état, l’énergie est transférée à la partie motrice et entraîne la rotation, tandis que l’autre état provoque la fluorescence de la molécule.

Du pouvoir

« Dans le cas de ce deuxième moteur, la molécule entière devient fluorescente », explique le professeur Maxim Pshenichnikov, qui a effectué une analyse spectroscopique des deux types de moteurs fluorescents et qui est co-auteur des deux articles. « Ce moteur est une entité chimique sur laquelle la fonction d’onde n’est pas localisée et, selon le niveau d’énergie, peut avoir deux effets différents. En modifiant la longueur d’onde de la lumière, et donc l’énergie que la molécule reçoit, vous obtenez soit une rotation ou fluorescence. » Faraji ajoute : « Notre approche synergétique en principe et en pratique met en évidence l’interaction entre les études théoriques et expérimentales, et illustre la puissance de ces efforts combinés. »

Maintenant que l’équipe a combiné le mouvement et la fluorescence dans la même molécule, une prochaine étape serait de montrer la motilité et de détecter simultanément l’emplacement de la molécule en traçant la fluorescence. Feringa déclare : « C’est très puissant et nous pourrions l’appliquer pour montrer comment ces moteurs pourraient traverser une membrane cellulaire ou se déplacer à l’intérieur d’une cellule, car la fluorescence est une technique largement utilisée pour montrer où se trouvent les molécules dans les cellules. Nous pourrions également l’utiliser pour tracer le mouvement induit par le moteur alimenté par la lumière, par exemple sur une trajectoire à l’échelle nanométrique ou peut-être tracer le transport induit par le moteur à l’échelle nanométrique. Tout cela fait partie de la recherche de suivi.