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Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 7)
Edition 2013


DYNMULTIREC


Biomatériaux dynamiques aux propriétés de reconnaissances multivalentes

Biomatériaux dynamiques aux propriétés de reconnaissance multivalente
L'idée novatrice de ce projet est la conception et la synthèse des membranes dynamiques et dynamers. Les membranes sont capables de moduler la structure des canaux en fonction de l'espèce cible qui doit être transporté à travers la membrane alors que la nature dynamique et adaptatif des dynamers favorisera les interactions multivalentes de protéines immobilisées (regroupement de protéine).

En quête de matériaux permettant d’obtenir des membranes de filtration autonomes (auto organisées et modulables)
Dans un contexte où toutes les ressources même les plus élémentaires deviennent rares, les membranes trouvent leurs places de façon inexorable dans presque tous les secteurs industriels. Cependant dans le domaine de la santé, même si les membranes de dialyse n’ont plus à démontrer leur efficacité, rares sont les secteurs où les membranes sont utilisées. Une des limitations réside dans la difficulté à d’une part de fabriquer des membranes suffisamment sélectives et d’autre part à les rendre multitâches. Deux problématiques sont donc soulevées : la précision et la modularité ! Pour permettre à un matériau d’acquérir une structure interne ou constitution bien définie il faut lui laisser la possibilité de corriger son procédé de fabrication, tout comme le fait chaque espèce vivante (construction/réparation/validation). En présentant un modèle aux briques élémentaires de construction, une sorte de matrice permet une transcription très précise de la forme désirée. D’autre part, la nature dynamique des liaisons chimiques autorise non seulement la réparation mais également la modification de structure, par stimuli externe ou interne, à posteriori, c.a.d. après la mise en forme du matériau. On peut donc entrevoir de fabriquer un matériau pour une application (filtration du sodium) et modifier l’objectif en cours de campagne (filtration du potassium). Les attraits et retombées de ce genre de matériaux sont multiples.

De nouveaux polymères dynamiques (dynamères) permettent l’auto assemblage de briques informées pour la reconnaissance biomolécules
L’assemblage réversible de monomères soigneusement conçus permet l’obtention de polymères dynamiques ou dynamères dont une des caractéristiques les plus précieuses est d’être capable de s’adapter. Pour obtenir une membrane efficace, la fabrication de chemins de transport permet d’optimiser le flux et la sélectivité. Ces chemins peuvent être « moulés » lors de la constitution du matériau par l’ajout de molécules spécifiques. Les polymérisations classiques donnent souvent lieux à des matériaux robustes et désordonnés. La stratégie proposée au contraire, par processus d’autoréparation, permet d’accéder à des architectures moléculaires complexes mais hautement organisées. Des petites molécules organiques ou des métaux peuvent jouer le rôle de moule. Avant de réaliser les membranes de filtration, il est nécessaire de concevoir les monomères les plus adéquats. L’auto-organisation de ces petites molécules est donc en premier lieu étudiée avant que celles-ci ne prennent place dans une supermolécule (dynamère). Motifs d’interactions supramoléculaires, agrégation, coordination métalliques, empilement 2D sont donc autant de critères qu’il faut prendre en compte avant de sélectionner les candidats lauréats.

Résultats

Les résultats majeurs de ce projet se situent à plusieurs niveaux. En premier lieu, au niveau moléculaire puisque des composés innovants très complexes ont été synthétisés (sonde moléculaire, macro-hétérocycles, peptides cycliques). D’autre part, au niveau supramoléculaire, de nouvelles organisations 2D et 3D ont été conçues (macrocycles et entrelacement de macrocycles). Des matériaux moléculaires (dynamères) ont permis de façon inédite d’amplifier l’activité d’enzymes. Puis dans une étape finale, des membranes ont montrées des capacités étonnantes de sélectivité aux cations (transport très rapides du K+).

Perspectives

Tri spontané de bibliothèques métallosupramoléculaire dynamiques (LMD) par sélection métallique.
Auto-assemblage hydrophobe exclusif de réseaux adaptatifs à l'état solide de 9,9-Spirobifluorenes octasubstitués.
Architectures en réseau de mésomères métallosupramoléculaires

Productions scientifiques et brevets

La production scientifique abondante reflète la réussite de la collaboration fructueuse entre deux instituts européens et donc du projet. En effet des articles dans des revues internationales à comité de lecture et fort facteurs d’impacts indiquent à la fois la nouveauté et l’importance des résultats obtenus. De nombreuses présentations orales vont encore faire suite au projet Dynmultirec. Les perspectives sont nombreuses notamment grâce aux dynamères enzymatiques qui constituent une piste extrêmement prometteuse de synthèse de produits à haute valeur ajoutée.

Partenaires

IEM Institut Europeen des Membranes

UBBCluj Babes-Bolyai University

Aide de l'ANR 261 329 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 36 mois

Résumé de soumission

Les objectifs du projet «Biomatériaux dynamiques aux propriétés de reconnaissance multivalente» (DYNMULTIREC) comprennent: i) la conception, l'obtention, l'étude des propriétés et applications de membranes hautement sélectives contenant des canaux directionnels de tailles et de capacités de liaison variables et présentant une perméabilité spécifique et sélective aux ions et aux molécules (peptides, acides aminés et sucres modifiés, composés aromatiques, eau), ainsi que ii) la conception et l'utilisation des polymères dynamiques constitutionnelles (dynamers) fonctionnalisés avec différentes fractions biologiquement pertinentes pour l'oligomérisation de ses protéines marquées et la synthèse de nouveaux polymères décorés de protéines.

La construction des membranes organiques-inorganiques (réseaux) et de biodynamers repose sur:
• des membranes adaptatives multifonctionnelles basées sur l'incorporation de macrocycles par auto-assemblage dirigé dans les réseaux inorganiques. La difficulté à surmonter à ce stade est la construction de membranes multifonctionnelles adaptatives en appliquant les principes de la chimie dynamique constitutionnelle (CDC).
• des membranes multifonctionnelles organiques-inorganiques ayant des macrocycles dans les pores construits par l'auto-assemblage 2D d'unités aromatiques stériquement compatibles décorées de multiples groupes complémentaires H-donneur / accepteur suivis par l'auto-assemblage 3D de ces macrocycles et leur intégration dans les réseaux organiques-inorganiques via des contacts supramoléculaires (empilement). Les principaux avantages de cette approche résident dans le fait que l'on peut obtenir un ensemble de motifs aromatiques décorées de façon appropriée qui peut ensuite être assemblés dans différents macrocycles par le simple changement de partenaires appartenant au même ensemble. Comme dans le cas précédent, la forme des macrocycles auto-assemblés peut être induite et amplifié par la molécule à séparer par l'intermédiaire d'interactions hôte-invité.
• des réseaux hybrides avec des chaînes présentant à la fois une haute perméabilité et sélectivité pour les biomolécules (acides aminés, peptides et sucres modifiés) sur la base de peptides cycliques présentant des séquences (LD)n ou (LLLD)n. Les séquences (LD)n ou (LLLD)n permettent, dans un cas une forme tout à fait planaire des macrocycles et dans l'autre cas [séquence (LLLD) n] qu' un acide aminé sur quatre soit orienté vers l'intérieur du macrocycle, leur permettant ainsi de participer de façon décisive à la sélectivité de la membrane pour différentes cibles. Ces membranes peuvent également être utilisées pour la séparation des énantiomères.

Le développement de nouveaux biodynamers comme matériaux synthétiques de pointe pour l'immobilisation et l'aggrégation de protéines avec des modulateurs biologiques est fondée sur le principe de la Chimie Constitutionnelle Dynamique. Pour construire les bibliothèques dynamiques constitutionnelles (DCLs) nous avons tourné nos regards vers la réaction d'échange acylhydrazone utilisant un ensemble de di- et tri-aldehydes et acylhyrazones décorées de metalloccoordinants, de sondes bioactives ou de protéines.
L'idée novatrice de ce projet est la conception et la synthèse de membranes dynamiques et dynamères. Les membranes sont capables de moduler la structure des canaux en accord avec l'espèce cible qui doit être transporté à travers la membrane tandis que la nature dynamique et adaptative des dynamères favorisera les interactions multivalentes des protéines immobilisées. La stratégie proposée garantit une haute sélectivité et adaptativité de la membrane à l'aide de la coopération des espèces cibles et offre la possibilité d'utiliser les mêmes blocs de départ pour la construction de membranes dédiées au transport d'une multitude d'espèces de grande variété.

 

Programme ANR : Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 7 - Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc – Accords bilatéraux 2013 - SIMI 7) 2013

Référence projet : ANR-13-IS07-0002

Coordinateur du projet :
Monsieur Yves-Marie LEGRAND (Institut Europeen des Membranes)
yves-marie.legrand@nulluniv-montp2.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.