Auto-assemblage

Définition

L'auto-assemblage est un processus biologique dans lequel un système désordonné de composants préexistants forme une structure ou un modèle organisé à la suite d'interactions locales spécifiques entre les composants eux-mêmes, sans direction externe. L'auto-assemblage est un processus biologique natif. Il peut être classé en deux types : statique et dynamique.

Exemples d'auto-assemblages statiques :

Exemples d'auto-assemblage statique. (A) Structure cristalline d'un ribosome. (B) Nanofibres peptide-amphiphiles auto-assemblées. (C) Un ensemble de plaques polymères de taille millimétrique assemblées à une interface eau-perfluorodécaline par des interactions capillaires. (D) Film mince d'un cristal liquide nématique sur un substrat isotrope. (E) polyèdres métalliques de taille micrométrique pliés à partir de substrats plans. (F) Un agrégat tridimensionnel de plaques micrométriques assemblées par des forces capillaires.

Explications

La plupart des études de recherche effectuées sur l'auto-assemblage se sont concentrées sur le type statique, tandis que l'étude de l'auto-assemblage dynamique en est encore à ses balbutiements.

Pour les polyélectrolytes, l'auto-assemblage est une complexation, appelée la complexation des polyélectrolytes.

L'auto-assemblage de molécules constitutives à l'échelle nanométrique a existé dans la nature lorsque des matériaux mous s'assemblent pour produire des membranes cellulaires, des fibres biopolymères et des virus. Récemment, dans des laboratoires, des scientifiques et des ingénieurs ont pu fabriquer des matériaux à l'échelle nanométrique grâce à une approche ascendante connue sous le nom d'auto-assemblage.

L'auto-assemblage est un processus dans lequel des particules ou des matériaux à l'échelle nanométrique organisent spontanément des composants prédéfinis en superstructures ordonnées qui peuvent être exploitées dans diverses applications. La fabrication des nanostructures peut avoir lieu dans une cuve agitée soit par auto-assemblage statique soit dynamique.

L'auto-assemblage statique est plus courant entre les deux et implique des systèmes dans des conditions d'équilibre qui ne dissipent pas d'énergie. La formation d'une structure par auto-assemblage statique nécessite des effets thermiques induits sur le système mais le produit est stable, alors que l'auto-assemblage dynamique a lieu lorsque le système se dissipe.

Types et classification

L'auto-assemblage a lieu aux échelles moléculaire, mésoscopique et macroscopique. Sur la base de ces critères, l'auto-assemblage a été classé en auto-assemblage moléculaire et à l'échelle nanométrique (forme classique d'auto-assemblage en chimie impliquant des atomes, des molécules et la formation de cristaux) et en auto-assemblage mésoscopique et macroscopique (par exemple, des micropièces d'ingénierie).

L'auto-assemblage moléculaire et à l'échelle nanométrique peut être classé en tant qu'auto-assemblage intramoléculaire et intermoléculaire. Dans l'auto-assemblage intramoléculaire, les molécules sont souvent des polymères complexes qui peuvent s'assembler à partir de la bobine aléatoire en une structure stable bien définie (structure secondaire et tertiaire). Le repliement des protéines pour former des structures amines secondaires et tertiaires est un bon exemple d'auto-assemblage intramoléculaire.

L'auto-assemblage intermoléculaire est la capacité des molécules à former des assemblages supramoléculaires (structure quaternaire).

La formation de micelles supramoléculaires par des molécules de surfactant en solution et des monocouches auto-assemblées (SAM) sur un substrat sont des exemples classiques d'auto-assemblage intermoléculaire. Les forces magnétiques, capillaires, électrostatiques et gravitationnelles jouent un rôle vital dans l'auto-assemblage des structures à l'échelle mésoscopique et macroscopique.

En statique

L'auto-assemblage statique implique des systèmes qui sont à l'équilibre global ou local et ne dissipent pas d'énergie. Dans l'auto-assemblage statique, la formation de la structure ordonnée peut nécessiter de l'énergie, mais une fois formée, elle est stable.

Quelques exemples de phénomènes d'auto-assemblage statiques adaptés par la nature sont des molécules lipidiques formant des gouttelettes d'huile dans l'eau, quatre polypeptides d'hémoglobine formant une protéine d'hémoglobine fonctionnelle et la combinaison d'ARN et de protéines ribosomiques pour former un ribosome fonctionnel.

En dynamique

L'auto-assemblage dynamique intervient lorsque la formation d'un état d'équilibre ordonné nécessite une dissipation d'énergie. En d'autres termes, les interactions responsables de la formation de structures ou de motifs entre composants n'interviennent que si le système dissipe de l'énergie.

Des auto-assemblages dynamiques :

Exemples d'auto-assemblage dynamique. (A) Une micrographie optique d'une cellule avec un cytosquelette et un noyau marqués par fluorescence. (B) Ondes de réaction-diffusion dans une réaction de Belousov-Zabatinski dans une boîte de Pétri de 3,5 pouces. (C) Un simple agrégat de disques magnétisés rotatifs de 3 mm interagissant les uns avec les autres via des interactions vortex-vortex. (D) Un banc de poissons. (E) anneaux concentriques formés par des billes métalliques chargées de 1 mm de diamètre roulant dans des chemins circulaires sur un support diélectrique. (F) Cellules de convection formées au-dessus d'un support métallique à micro-motifs. La distance entre les centres des cellules est d'environ 2 mm.

Niveau moléculaire

L'auto-assemblage moléculaire est une capacité rare parmi les matériaux synthétiques, qui ne s'est développée que récemment dans le domaine des nanotechnologies. La nature, cependant, a maîtrisé cette technique pour transformer des molécules simples intelligemment arrangées en conceptions de plus en plus élaborées, créant le comportement moléculaire complexe et dynamique nécessaire à la vie telle que nous la connaissons.

Par exemple, le repliement des protéines est généralement considéré comme un processus d'auto-assemblage dirigé par la séquence de résidus d'acides aminés dans la structure primaire du polypeptide, malgré le rôle des protéines chaperons de plus en plus reconnu.

Chaque acide aminé a une activité chimique et physique simple (hydrophobicité, acidité, affinité métallique, encombrement stérique, etc.) mais lorsqu'ils sont disposés dans un certain ordre, ces groupes fonctionnels interagissent pour replier la protéine dans une architecture tertiaire très particulière.

De tels arrangements spatiaux modifient les environnements chimiques de certains résidus, élargissant considérablement leurs capacités et générant un comportement émergent qui ne pourrait jamais survenir sans orientation spécifique des acides aminés constitutifs : catalyse, réactivité allostérique, reconnaissance de cible, etc. Un comportement similaire est observé dans les macromolécules d'acide nucléique.

Ainsi, la compréhension des mécanismes et de la thermodynamique de l'auto-assemblage est un puissant outil de progrès dans de nombreux domaines : la biochimie, les nanotechnologies et la médecine en tête. À cet égard, les protéines sont encore trop compliquées et ne peuvent être étudiées que par des simulations moléculaires coûteuses en calcul. La prédiction de la structure tridimensionnelle des protéines ab initio reste un grand défi.

Avec les polyélectrolytes

Les polyélectrolytes, cependant, sont plus simples que les polypeptides; généralement, le nombre d'espèces de monomères différentes est de 1 à 3 plutôt que les 20 acides aminés naturels, mais les polyélectrolytes conservent toujours un comportement dynamique et leur processus de complexation a des parallèles avec le repliement des protéines.

L'auto-assemblage de polyélectrolytes ne repose généralement pas sur des informations détaillées dans la séquence des monomères comme le font les biomacromolécules, il dépend des mêmes principes physiques (électrostatique, encombrement, hydrophobicité, etc.). Il est particulièrement similaire dans le cas d'un mauvais repliement des protéines, comme dans les maladies d'Alzheimer et de Parkinson.

L'examen de l'auto-assemblage des polyélectrolytes (complexes de polyélectrolytes) est donc un compagnon utile aux études sur les protéines et, plus important encore, introduit le potentiel de personnalisation de l'architecture des complexes de polyélectrolytes de novo via l'adaptation de la chimie des polyélectrolytes constituants, si l'auto-assemblage est suffisamment compris, un outil directement applicable en science des matériaux.

Auto-assemblage des polyélectrolytes par complexation :

Mécanisme de complexation avec auto-assemblage des polyélectrolytes. La flèche jaune fait référence à la libération entropique favorable de contre-ions "condensés", qui entraîne la complexation; le fond bleu est une solution aqueuse en vrac, ou un surnageant. La complexation survient spontanément une fois que les polyanions et les polycations sont présents dans la même solution.

Le processus d'auto-assemblage du complexe polyélectrolytes (PEC) semble quelque peu merveilleux d'un point de vue thermodynamique. La deuxième loi de la thermodynamique stipule qu'un comportement moléculaire ne survient spontanément que s'il abaisse l'énergie de Gibbs du système.

Essentiellement, une action est autorisée si elle diminue l'instabilité nette de toutes les molécules impliquées (suivie par une variable appelée enthalpie) ou si elle augmente l'entropie; l'énergie de Gibbs pèse simplement ces facteurs. L'entropie, bien que difficile à comprendre conceptuellement, suit généralement le nombre de configurations accessibles, appelées micro-états, de particules dans le système.

Considérez une pièce en désordre : moins elle est organisée, plus il est possible de déplacer des objets spécifiques sans modifier l'apparence générale et les propriétés de la pièce. On peut dire qu'il a une entropie plus élevée qu'une pièce bien rangée, qui doit conserver une certaine configuration – ou micro-état – pour être bien rangé.

L'auto-assemblage de polyélectrolytes peut être observé pour séquestrer les polymères dissous et distribués dans une phase condensée à l'écart du reste de la solution, ordonnant le système, diminuant l'entropie et décourageant la complexation spontanée. intuitivement, cela laisse l'attraction électrostatique, l'interaction stabilisatrice interchaîne évidente (enthalpique) facilitée par la phase condensée, être la force motrice de la complexation.

Des examens récents de la complexation des polyélectrolytes indiquent que l'enthalpie de complexation ne représente que jusqu'à 10 % de l'énergie de Gibbs, et que l'électrostatique interpolymère n'est pas principalement responsable, même pour cette petite partie. La force motrice thermodynamique de ce comportement puissant doit se trouver ailleurs.

La subtilité vient avec les espèces de contre-ions, incluses avec chaque polyion pour équilibrer la charge avant le mélange. Ce sont généralement de petits ions très solubles, comme le sodium et le chlorure.

Avant que les polyélectrolytes chargés de manière opposée ne soient mélangés, leurs contre-ions s'associent électrostatiquement aux chaînes et forment une "atmosphère" locale de charge en solution dans un processus appelé Manning condensation, qui stabilise la chaîne de polyélectrolytes.

Lors de la complexation, cette atmosphère de contre-ions est remplacée par le polyélectrolyte de charge opposée, déstabilisant les chaînes à mesure que les interactions atmosphère-chaîne sont perdues puis se restabilisant à l'approche du polyion opposé.

Selon les caractéristiques des contre-ions et des polyélectrolytes, l'effet net peut être favorable. Pourtant la complexation est favorable et spontanée.

En rapport avec "auto-assemblage"

• processus biologique

  

  Un processus biologique détermine le comportement cellulaire défini par les interactions complexes entre toutes les molécules.

• complexation

  

  La complexation est la capacité de groupements fonctionnels (-COOH, -OH) de certains constituants du substrat à former des complexes avec des cations.

• polyélectrolyte

  

  Un polyélectrolyte est un polymère dont les éléments constitutifs sont des électrolytes.

• Génome du poisson-chat Silurus glanis assemblé

  

  Le génome du silure glane (Silurus glanis) est séquencé et assemblé.