Le travail d’équipe moléculaire permet au rêve organique de fonctionner

Le virus responsable de l’infection à E. coli a une arme secrète : le travail d’équipe.

Toujours décousu dans sa tentative de survie, le virus se pose sur une cellule hôte sans prétention et saisit la surface avec l’extrémité commerciale de sa queue tubulaire. Ensuite, les protéines de la queue se contractent à l’unisson, aplatissant sa structure comme un ressort piétiné et enroulant le corps du virus pour le coup critique.

Grâce au travail d’équipe des protéines, la queue peut fléchir et s’aplatir facilement. Ce processus, appelé coopérativité moléculaire, est souvent observé dans la nature mais rarement observé dans les systèmes non vivants.

Des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology ont découvert un moyen de déclencher ce comportement coopératif dans les semi-conducteurs organiques. Le phénomène d’économie d’énergie et de temps peut contribuer à améliorer les performances des montres intelligentes, des cellules solaires et d’autres appareils électroniques organiques.

Leur travail a été accepté pour publication dans Communication Nature.

« Notre recherche donne vie aux semi-conducteurs en libérant les mêmes qualités dynamiques que les organismes naturels comme les virus utilisent pour s’adapter et survivre », a déclaré Ying Diao, chercheur à l’Institut Beckman et co-auteur de l’étude.

Les virus ont peut-être maîtrisé la coopérativité moléculaire, mais on ne peut pas en dire autant des cristaux : des structures moléculaires non vivantes classées par leur symétrie. Bien qu’esthétiques, les molécules qui composent les structures cristallines ont des dispositions de diva et travaillent rarement ensemble. Au lieu de cela, ils testent la patience des chercheurs en traversant péniblement des transitions structurelles une molécule à la fois – un processus célèbre démontré par la croissance de diamants à partir de carbone, qui exige une chaleur torride, une pression intense et des milliers d’années séquestrées profondément sous la terre.

« Imaginez démonter un étalage de dominos élaboré brique par brique. C’est épuisant et laborieux, et une fois que vous avez terminé, vous n’auriez probablement pas l’énergie de réessayer », a déclaré Daniel Davies, auteur principal de l’étude et chercheur à l’Institut Beckman au moment de l’étude.

En revanche, les transitions coopératives se produisent lorsque les molécules modifient leur structure de manière synchrone, comme une rangée de dominos coulant de manière transparente vers le sol. La méthode collaborative est rapide, économe en énergie et facilement réversible. C’est pourquoi le virus responsable de l’infection à E. coli peut contracter inlassablement sa queue remplie de protéines avec peu d’énergie perdue.

Pendant longtemps, les chercheurs ont eu du mal à reproduire ce processus coopératif dans des systèmes non vivants pour récolter ses avantages en termes d’économie de temps et d’énergie. Ce problème intéressait particulièrement Diao et Davies, qui se demandaient quel impact le travail d’équipe moléculaire pouvait avoir sur le secteur de l’électronique.

« La coopérativité moléculaire aide les systèmes vivants à fonctionner rapidement et efficacement », a déclaré Davies. « Nous avons pensé : « Si les molécules des appareils électroniques fonctionnaient ensemble, ces appareils pourraient-ils présenter les mêmes avantages ? » »

Diao et Davies étudient les appareils électroniques organiques, qui reposent sur des semi-conducteurs fabriqués à partir de molécules comme l’hydrogène et le carbone plutôt que de molécules inorganiques comme le silicium, un ingrédient omniprésent dans les ordinateurs portables, les ordinateurs de bureau et les appareils intelligents qui saturent le marché aujourd’hui.

« Étant donné que l’électronique organique est fabriquée à partir des mêmes éléments de base que les êtres vivants, comme les humains, elle ouvre de nombreuses nouvelles possibilités d’applications », a déclaré Diao, qui est également professeur agrégé de génie chimique et biologique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign. « À l’avenir, l’électronique organique pourrait être en mesure de se fixer à notre cerveau pour améliorer la cognition, ou être portée comme un pansement pour convertir la chaleur de notre corps en électricité.

Diao étudie la conception des cellules solaires : des panneaux de fenêtre ultra-minces qui absorbent la lumière du soleil pour se convertir en électricité. Les semi-conducteurs organiques qui peuvent fléchir sans se casser et épouser la peau humaine seraient également « une partie importante de l’avenir des appareils électroniques organiques », a déclaré Davies.

C’est un bel avenir en effet, mais une étape importante vers la conception d’électronique organique dynamique comme celle-ci consiste à façonner des semi-conducteurs organiques dynamiques. Pour que cela se produise, les molécules semi-conductrices doivent coopérer.

Les dominos ont inspiré l’approche des chercheurs pour déclencher un travail d’équipe moléculaire dans un cristal semi-conducteur. Ils ont découvert que le réarrangement des amas d’atomes d’hydrogène et de carbone sortant du noyau d’une molécule – autrement connu sous le nom de chaînes alkyle – provoque l’inclinaison du noyau moléculaire lui-même, déclenchant une chaîne d’effondrement à l’échelle du cristal que les chercheurs appellent une « avalanche ».

« Tout comme les dominos, les molécules ne bougent pas de l’endroit où elles sont fixées. Seule leur inclinaison change », a déclaré Davies.

Mais incliner une chaîne de molécules n’est ni aussi facile ni aussi tactile que de prendre un domino et de le faire pivoter de 90 degrés. À une échelle beaucoup plus petite qu’une pièce de jeu en plastique, les chercheurs ont progressivement appliqué de la chaleur sur la chaîne alkyle de la molécule ; l’augmentation de la température a induit l’effet de type domino.

L’utilisation de la chaleur pour réorganiser les chaînes alkyle des molécules a également provoqué le rétrécissement du cristal lui-même, tout comme la queue du virus avant l’infection par E. coli. Dans un appareil électronique, cette propriété se traduit par un interrupteur marche-arrêt facile induit par la température.

Les applications de cette découverte doivent encore être pleinement réalisées; pour l’instant, les chercheurs sont ravis de la première étape.

« La partie la plus excitante était de pouvoir observer comment ces molécules changent et comment leur structure évolue tout au long de ces transitions », a déclaré Davies.

Libérer le potentiel de la collaboration moléculaire a été possible grâce à un travail d’équipe à l’échelle internationale, avec des chercheurs de l’Université Purdue, de l’Académie chinoise des sciences et du Laboratoire national d’Argonne. La spectroscopie Raman a été réalisée dans la suite de microscopie de l’Institut Beckman.