Moteur moléculaire

Définition

Un moteur moléculaire est une macromolécule (protéine) capable de convertir l'énergie chimique (normalement présente sous la forme d'ATP) en force mécanique et en mouvement. De nombreux organismes vivants ont différents types de moteurs moléculaires spécialisés dans différents buts, tels que la division cellulaire (dans laquelle l'actine est impliquée), le mouvement cellulaire (les composants du flagelle) ou le mouvement des organites internes (kinésine).

Un moteur moléculaire rotatif :

Le moteur moléculaire rotatif de M. Feringa est conçu comme pour une voiture (nanovoiture polymérique) avec un chassis moléculaire soutenant l'ensemble.

Explications

Les moteurs moléculaires sont des moteurs dans lesquels les mouvements individuels de quelques molécules sont responsables de la conversion d'une forme d'énergie (principalement chimique) en travail. Dans la nature, chaque moteur moléculaire est à l'origine de tous les mouvements des êtres vivants.

Ils seraient également des composants importants d'éventuelles nanomachines. Les premiers éléments de la description de ces processus sont récents et dus à l'équipe du Professeur Jacques Prost à l'Institut Curie. Ces mouvements impliquent la physique des transitions de phase et des systèmes dynamiques.

La principale différence entre les moteurs moléculaires avec les moteurs macroscopiques est due à l'échelle des énergies qui entrent en jeu. En effet, pour déplacer des masses moléculaires à des distances de quelques nanomètres, le travail nécessaire est de l'ordre de l'énergie libre d'un thermostat à température ambiante. Les moteurs moléculaires sont généralement très influencés par leur environnement et ne peuvent être décrits que par des théories statistiques. C'est le cas de tous les moteurs moléculaires biologiques.

Les moteurs moléculaires sont des machines qui, d'une manière ou d'une autre, convertissent l'énergie en travail ou en mouvement.

Classes

Les moteurs moléculaires rotatifs et les moteurs moléculaires linéaires sont généralement distingués. Les premiers sont impliqués dans la synthèse de l'ATP (adénosine triphosphate), combustible cellulaire essentiel, et dans la propulsion des bactéries, telles que E. coli. Ces derniers sont impliqués dans le transport intracellulaire, la motilité cellulaire, la mitose, l'organisation cellulaire, les contractions musculaires, les mouvements des cils et des flagelles, et la détection sonore.

Il existe une grande variété de ces moteurs mais ils n'ont été étudiés que récemment car ils appartiennent à l'échelle nanométrique, où les techniques d'observation conventionnelles sont inutiles. Les processus chimiques et physiques qui interviennent dans ces moteurs ont suscité la curiosité de certains scientifiques puisque ces moteurs ont une grande efficacité qui pourrait contribuer au développement de technologies prometteuses.

Opérations

Certains de ces moteurs moléculaires tirent leur énergie de l'hydrolyse de l'ATP, ce qui explique pourquoi ils sont appelés ATP, la molécule responsable du transport de l'énergie chimique dans les cellules est capable de stocker de l'énergie pendant de courtes périodes de temps. Une molécule d'ATP est assez instable, puisqu'elle a deux charges négatives assez proches et qui produisent une tension par les forces de répulsion, à la suite de l'hydrolyse une liaison chimique est cassée et par conséquent ADP et Pi, des molécules avec une plus faible contenu énergétique. L'énergie obtenue par le lien brisé peut être utilisée par un moteur pour générer de la motricité, comme l'actine dans un muscle.

Cette molécule est synthétisée par un processus appelé mécanisme chimismotique de Mitchell, dans la membrane mitochondriale. Un système de transport d'électrons produit un gradient de protons entre les deux côtés de la membrane, les protons sont attirés par un compartiment intermembranaire où les électrons se déplacent dans une direction, dans une sorte de chaîne de transport, qui génère un potentiel électrique causant mouvement qui est exploité par les mitochondries pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et Pi dans les canaux de diffusion.

Certaines des protéines ATP comme la myosine et la kinésine sont les plus importantes, responsables de la contraction musculaire et du transport des charges.

Les molécules de myosine (avec les filaments d'actine) sont utilisées en trois parties pour réaliser un mouvement dans les muscles, chaque molécule est composée d'une chaîne lourde et de deux légères.

La chaîne lourde est celle qui est attachée aux filaments, elle utilise l'hydrolyse de l'ATP pour générer une différence de charges et réaliser le mouvement, une première répulsion est générée entre la chaîne lourde et le microfilament, puis une fois l'hydrolyse effectuée la composition est changée et encore une attraction est ressentie entre la lourde chaîne et un filament. La première chaîne légère est responsable de la transmission de l'énergie générée par l'hydrolyse de l'ATP à la chaîne lourde, donc quand un phosphate est libéré, il avance en marquant le passage de la myosine, qui se déplace vers le filament suivant avec charge positive, enfin la queue est responsable de la régulation de l'activité du moteur moléculaire et de l'interaction avec d'autres molécules. Chaque étape de la myosine est dans une gamme de 5 à 17 nanomètres (cette gamme est due à la grande variété de myosines qui existent).

La kinésine est le moteur responsable du transport des charges à travers les microtubules au sein de la cellule, elle se déplace de la même manière que la myosine, se compose de plusieurs parties qui changent leur position pour hydrolyser l'ATP et produire un mouvement sous forme de marches. Ceux-ci se composent de deux têtes et profitent des filaments dans les microtubules pour marcher, car il hydrolyse l'ATP pour se déplacer avec une charge dans une direction définie. Les kinésines sont fondamentales pour la vie de la cellule car il y a des charges à l'intérieur des cellules qui sont trop grandes pour être transférées par diffusion, ou dans certaines cellules, comme certains grands neurones, la diffusion agit trop lentement pour que ces cellules les moteurs sont responsables de la mobilisation de ceux-ci.

La kinésine est également essentielle dans le processus de division cellulaire, ce moteur moléculaire étant responsable du transport et de l'organisation des chromosomes aux pôles de la cellule avant sa division.

Certains chercheurs ont réussi à construire des moteurs moléculaires synthétiques qui se déplacent dans un sens, bien que très primitifs, ce sont des exemples que les mécanismes utilisés par les protéines pourraient être exploités à l'avenir et pourraient tirer parti de l'énergie chimique pour nos intérêts.

Exemples et biotechnologie

À titre d'exemple, les moteurs moléculaires s'assurent que la poussière inhalée ou d'autres petits débris sont enlevés de nos voies respiratoires. Autre exemple : ils fournissent la commande d'un spermatozoïde de sorte qu'il puisse atteindre l'ovule pour le fertiliser.

Presque toutes les plantes et tous les animaux utilisent des moteurs moléculaires d'une manière ou d'une autre. La particularité de ces moteurs moléculaires est qu'ils ont des blocs de construction pratiquement identiques. Apparemment, la nature assure qu'ils soient bien conservés. Avec l'émergence de la nanotechnologie, les moteurs moléculaires sont une source majeure d'inspiration. En étudiant le fonctionnement des moteurs moléculaires, on espère que cette connaissance peut être appliquée lors de la fabrication de nanomoteurs. En particulier, l'efficacité de ces moteurs moléculaires, en mécanique moléculaire, est considérablement meilleure (presque 100 %) que les moteurs fabriqués par l'homme.

Types

Il faut prendre en compte divers types de moteurs moléculaires :

• Moteurs cytosquelettiques :
  • La myosine pour la contraction des muscles.
  • La kinésine charge le transport dans les cellules.
  • La dynéine pour le transport de charge sur une molécule de cellule.
• Moteurs de polymérisation :
  • L'actine pour propulser les cellules et les muscles contractés.
  • Bloc de construction microtubulaire (structure protéique tubulaire, microtubule) d'un moteur moléculaire.
  • La dynamine dans les membranes de séparation.
• Moteurs rotatifs :
  • L'ATP synthase produit de l'adénosine triphosphate qui est le transporteur de l'énergie chimique.
  • Activer les fouets (flagelles) de la queue du mécanisme du spermatozoïde.
• Moteurs d'acide nucléique :
  • L'ARN copie l'information génétique de l'ADN.
  • L'ADN polymérase copie l'ADN.
  • L'hélicase zippe l'ADN double brin à part.
  • La topoisomérase contrôle la division de l'ADN.
  • Remodelage de la structure de la chromatine (RSC) complexe reconstruit la structure de la chromatine.
  • chromosome de condensation SMC protéine.
  • L'emballage viral (viral packing) infectant l'ADN.
• Moteurs moléculaires synthétiques moteurs fabriqués par l'homme.

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