Des surfaces mécanocatalytiques : contrôler la catalyse par une force mécanique – MECHANOCAT

Les matériaux, dits intelligents, dont les propriétés changent sur commande connaissent actuellement un engouement important de la part des scientifiques pour leurs nombreuses applications potentielles. Parmi tous les matériaux répondant à un stimulus extérieur, très peu permettent la modulation d'une réaction chimique par un stress mécanique. Or, la nature offre de nombreux exemples de processus chimio-mécanotransductifs pour lesquels une force mécanique est transformée en un signal chimique. Une façon dont la nature réalise de tels processus est en se basant sur des changements de conformations de protéines induits par une force mécanique. Inspiré par la nature, ce projet a pour objectif de concevoir un nouveau type de surface mécanocatalytique, à savoir des surfaces catalytiquement actives basées sur des peptides en hélices alpha jouant le rôle d'enzymes artificiels et dont l'activité catalytique peut être modulée par simple étirement. Les hélices alpha apparaissent comme des candidats idéals pour mettre au point des systèmes mécano-répondant car ce sont des structures simples, sensées répondre à un étirement en modifiant de manière précise la position relative de leurs différents acides aminés. Ces peptides seront fixés de manière covalente par deux points sur un support étirable. En étirant le support et donc les peptides, on modifiera les positions relatives des groupements impliqués dans le site catalytique ce qui aura pour effet de modifier l'activité catalytique des peptides et leur énantiosélectivité. Ce projet représente une étape importante dans notre effort de développer des matériaux basés sur les concepts de mécanochimie douce, c.à.d. faisant appel aux changements de conformations pour induire des réactions chimiques. Cela est en rupture avec l'approche "conventionnelle" de la mécanochimie visant à modifier des liaisons chimiques par des forces mécaniques.
Nous allons utiliser deux peptides jouant le rôle de catalyseurs modèles. Le premier sera un catalyseur de l'hydrolyse d'esters qui mime la triade des protéases à serines en utilisant les groupements carboxylate, imidazole et une cyclodextrine à des endroits précis sur une hélice alpha. Le second exemple est constitué d'une chaîne de poly-L-leucine qui se replie naturellement en hélice alpha et qui peut jouer directement le rôle de catalyseur dans l’epoxydation asymétrique de Julia-Colonna. Dans ce cas il est bien établi que la conformation de la chaîne polypeptidique oriente les oléfines par le biais de liaisons hydrogène induisant une conversion quasi-quantitative avec une forte stéréosélectivité.
L'objectif du projet MECHANOCAT est donc de démontrer la possibilité de moduler mécaniquement l'activité catalytique ainsi que l'énantiosélectivité des enzymes artificiels greffés sur des substrats en silicone. L'activité catalytique sera suivie par spectrophotométrie UV-visible et par HPLC. Des peptides avec des structures proches de celles utilisées pour la catalyse mais présentant une paire donneur/accepteur de fluorescence un à chacune de leurs extrémités seront également synthétisés afin de réaliser des expériences de FRET (Förster Resonance Energy Transfer) à différents degrés d'étirement. Cela permettra de démontrer que l'on peut modifier la structure des peptides par étirement. Le dichroïsme circulaire et la spectroscopie IR seront utilisés afin d'étudier l'effet de l'étirement sur la structure secondaire des peptides. Ces expériences seront complétées par de la dynamique moléculaire afin d'obtenir des informations complémentaires sur l'effet de l'étirement sur la structure hélicoïdale des peptides et sur l'évolution des positions relatives des groupements impliqués dans le site catalytique. Ces données seront à mettre en parallèle avec les résultats expérimentaux. Ce projet est multi et interdisciplinaire impliquant trois partenaires aux compétences complémentaires: chimie des macromolécules, physico-chimie des surfaces et des simulations numériques.