En imitant la nature, les chercheurs conçoivent des structures moléculaires radicalement nouvelles qui peuvent servir d'épures à la production de nouveaux matériaux et de machines moléculaires sophistiquées. Dans le domaine naissant de la nanotechnologie, ils emploient des éléments constitutifs naturels fondamentaux tels que les aminoacides pour produire des structures telles que des peptides et des protéines en vue d'applications médicales et énergétiques. Les biologistes spécialistes de la nanotechnologie ont commencé à exploiter les possibilités d'autoassemblage des molécules comme instrument de fabrication de nouvelles nanostructures biologiques telles que les nanotubes pour le coulage de métaux, les nanovésicules pour l'encapsulation de médicaments et les réseaux de nanofibres pour la régénérescence tissulaire. Ils ont également construit des photosystèmes nanoscopiques à extrêmement haute densité et des machines moléculaires ultralégères qui captent l'énergie solaire. Une meilleure compréhension de ces phénomènes apparemment inexplicables semble présenter certaines difficultés, pourrait permettre, un jour, grâce à des nanodispositifs, de réparer divers organes ou de rajeunir la peau, d'accroître les capacités humaines, d'exploiter l'énergie solaire inépuisable et de réaliser divers accomplissements considérés aujourd'hui comme impossibles.

Shuguang Zhang est directeur associé du Centre de l'ingénierie biomédicale de l'Institut de technologie du Massachusetts.

Il y a environ 10.000 ans, les hommes ont commencé à domestiquer les végétaux et les animaux. Il est temps, à présent, de domestiquer les molécules.

La biotechnologie, connue principalement pour ses applications médicales et agricoles, se concentre de plus en plus sur la confection de nouveaux matériaux et de machines biologiques aux structures, fonctions et destinations d'une étonnante diversité, et l'avènement de la nanotechnologie est venu accélérer cette tendance. Tirant des enseignements de la nature qui, au fil de milliards d'années a affiné et façonné des structures moléculaires pour leur permettre d'exécuter une multitude de tâches, les nanobiotechnologues conçoivent aujourd'hui des motifs moléculaires entièrement nouveaux, élaborés de toutes pièces, composante par composante, pour produire de nouveaux matériaux et des machines moléculaires sophistiquées. Nous assisterons, dans les années à venir, à des progrès tels que l'emploi de nouveaux matériaux pour réparer les lésions tissulaires et des machines moléculaires permettant d'exploiter l'énergie solaire grâce aux molécules d'aminoacides et de lipides les plus petites possible, qui auront selon toute vraisemblance d'immenses répercussions sur notre société et sur l'économie mondiale.

Nous devons déjà à la biotechnologie moderne tout un éventail de produits utiles, tels que l'insuline humaine et de nouveaux vaccins, mais nous évoluons vers des découvertes encore plus révolutionnaires. C'est pourquoi les pays, grands et petits, et les entreprises industrielles locales et internationales s'efforcent de plus en plus d'attirer les compétences biotechnologiques et les investissements dans ce domaine. Il est incontestable que la biotechnologie, avec l'aide des outils de la nanoscience, se développe à un rythme accéléré et que le meilleur est encore à venir.

Imiter la nature

La nature est passée maître lorsqu'il s'agit d'élaborer des matériaux et de construire des machines moléculaires extraordinaires, atome par atome, molécule par molécule. Coquillages, perles, coraux, os, dents, bois, soie, corne, collagène, fibres musculaires et matrices extracellulaires ne sont que quelques exemples de matériaux naturels. Les assemblages moléculaires multifonctionnels, tels que l'hémoglobine, les polymérases et les canaux membranaires, sont tous essentiellement des machines moléculaires de remarquable conception.

Au fil de milliards d'années de sélection et d'évolution moléculaire, la nature a produit un ensemble d'éléments constitutifs de base comprenant 20 aminoacides, quelques nucléotides - qui sont les unités de construction des acides nucléiques tels que l'acide ribonucléique (ARN) et l'acide désoxyribonucléique (ADN) - une douzaine environ de molécules lipidiques et une bonne vingtaine de sucres. À partir de ces éléments constitutifs apparemment simples, les processus naturels façonnent toute une gamme d'unités de fabrication d'une extraordinaire diversité capables elles-mêmes de s'auto-organiser en structures, matériaux et machines moléculaires raffinés qui sont non seulement dotés d'une précision, d'une flexibilité et de capacités remarquables de correction d'erreurs, mais qui s'entretiennent eux-mêmes et qui évoluent. Il en est ainsi par exemple des systèmes de photosynthèse de certaines bactéries et de toutes les plantes vertes qui absorbent la lumière du soleil pour la convertir en énergie chimique ; lorsque la quantité de lumière se réduit, en eau profonde, par exemple, les systèmes de photosynthèse doivent évoluer pour recueillir la lumière de façon plus efficace.

Au début des années 1990, les biotechnologues sont parvenus à manipuler les éléments constitutifs naturels de dimensions comprises entre un nanomètre (un milliardième de mètre) et 100 nanomètres pour fabriquer de nouvelles structures moléculaires, marquant ainsi l'entrée de la science et de la technologie dans l'ère des matériaux moléculaires de synthèse. À l'instar de l'argile et de l'eau que l'on peut combiner pour produire des briques à multiples usages, qui peuvent être employées à leur tour pour construire des ouvrages tels que la Grande muraille de Chine, des maisons ou des routes, les éléments constitutifs naturels peuvent servir à créer des structures, telles que les peptides et les protéines, qui peuvent être utilisées à diverses fins. C'est ainsi, par exemple, que les animaux ont une peau qui produit du pelage pour éviter la déperdition de chaleur, que les coquillages ont des coquilles pour protéger leurs tissus, que les araignées tissent du fil pour attraper des insectes et que nos cellules produisent de grandes quantités de collagènes qui assurent leur cohésion pour former les tissus et les organes.

Si nous réduisons la taille des unités de construction un milliard de fois pour arriver à l'échelle du nanomètre, nous pouvons construire des matériaux et des machines moléculaires de façon analogue au processus de construction des maisons à partir d'éléments préfabriqués.

Les peptides formés par les aminoacides sont des unités moléculaires architecturales qui s'avèrent très utiles pour le développement de nouveaux matériaux nanobiologiques. Dans l'eau et les fluides corporels, ces peptides forment des charpentes bien ordonnées de nanofibres utiles pour la croissance tissulaire tridimensionnelle et pour la médecine régénératrice. Les chercheurs ont pu ainsi fabriquer du cartilage et de l'os artificiels pour remplacer les tissus endommagés en se servant de réseaux biologiques et de cellules. Ils ont également démontré que les nanofibres peptidiques de synthèse qui s'autoassemblent peuvent stopper les hémorragies instantanément, propriété utile en chirurgie. Les nouveaux peptides s'avèrent d'une remarquable utilité pour l'acheminement de médicaments, de protéines et de gènes, car ils encapsulent certains médicaments insolubles dans l'eau et les véhiculent jusqu'à l'intérieur des cellules ou en divers points de l'organisme. Ils sont aussi essentiels aux fins de la fabrication de machines moléculaires qui produisent de l'énergie à partir de la lumière du soleil en se servant du système de photosynthèse des feuilles d'épinards et de feuilles d'arbres.

Autoassemblage moléculaire

Toutes les biomolécules, notamment les peptides et les protéines, interagissent et s'auto-organisent naturellement pour former des structures bien définies dotées de fonctions précises. En observant les processus naturels d'assemblage des structures moléculaires biologiques, les nanobiotechnologues ont commencé à exploiter les possibilités d'autoassemblage des molécules en tant qu'instrument de fabrication de nouvelles nanostructures biologiques telles que des nanotubes pour le coulage de métaux, des nanovésicules pour l'encapsulation de médicaments et les réseaux de nanofibres pour la régénérescence tissulaire.

Dans l'autoassemblage moléculaire, les liaisons sont généralement faible intensité, comparables à un serrement de mains : elles peuvent se faire et se défaire rapidement, contrairement aux liaisons de forte intensité telles que celles qui attachent nos bras à notre corps. Considérées individuellement, les liaisons moléculaires faibles, telles que la liaison hydrogène (ou polaire) et la liaison ionique, sont d'une force insignifiante, mais elles jouent collectivement un rôle indispensable dans toutes les structures et dans leurs interactions. La liaison hydrogène, dans laquelle de nombreuses molécules d'eau établissent un pont pour relier deux éléments distincts, est d'une importance particulière pour les systèmes biologiques, car tous les matériaux biologiques interagissent avec l'eau. Cette liaison, présente dans tous les collagènes, a pour effet d'accroître l'humidité pendant une durée prolongée.

Quant aux éléments constitutifs moléculaires, les peptides de synthèse ressemblent aux pièces du jeu de Lego, avec leurs embouts et leurs trous disposés de manière précise, qui peuvent s'assembler pour former des structures déterminées. Souvent appelées « peptides Lego  », ces nouvelles pièces moléculaires s'imbriquent spontanément, dans certaines conditions, pour former des nanostructures.

Dans l'eau, les molécules de peptides Lego s'autoassemblent pour former des nanofibres bien ordonnées, qui s'assemblent elles-mêmes pour former des réseaux. L'un de ces matériaux à nanofibres réticulées, disponible dans le commerce, est le PuraMatrix(tm), ainsi dénommé en raison de sa pureté en tant que matrice de synthèse biotechnologique. Les chercheurs l'emploient actuellement dans le monde entier en biomédecine pour étudier les cellules cancéreuses et les cellules souches, ainsi que pour réparer le tissu osseux.

Étant donné que ces structures de nanofibres possèdent des pores de 5 à 200 nanomètres et qu'elles ont une teneur en eau extrêmement élevée, elles sont d'une utilité potentielle dans l'élaboration de cellules tridimensionnelles, dans la croissance tissulaire et en médecine régénérative. En outre, les dimensions réduites de leurs pores autorisent une libération lente de médicaments, ce qui évite aux patients des prises multiples, une seule étant suffisante pour une période beaucoup plus longue : on peut implanter dans la peau une telle nanostructure chargée d'une dose de médicament qui est libérée lentement dans l'organisme pendant des mois, voire des années.

Créer plus d'éléments constitutifs de base

En se servant des lipides naturels comme modèle, les chercheurs ont produit une nouvelle catégorie de peptides détergents comparables aux lipides. Ces peptides possèdent sept ou huit aminoacides, ce qui leur donne une longueur analogue à celle des lipides naturels, qui constituent des parois cellulaires dont l'épaisseur est d'un vingt millième du diamètre d'un cheveu.

Les peptides détergents analogues aux lipides produisent des structures remarquablement complexes et dynamiques selon le même processus d'assemblage qui, à partir de multiples éléments simples, permet d'élaborer un grand nombre d'édifices architecturaux de formes différentes.

Certains peptides détergents se sont avérés d'une grande efficacité pour la stabilisation, particulièrement difficile, des protéines membranaires (molécules de protéines attachées ou associées aux membranes des cellules), ouvrant ainsi des perspectives prometteuses en vue de la résolution d'un problème majeur en biologie : l'obtention d'images claires des protéines membranaires omniprésentes.

De nombreux médicaments agissent par l'intermédiaire des protéines membranaires, mais leurs mécanismes d'interaction avec ces protéines au niveau moléculaire sont toujours essentiellement inconnus à l'heure actuelle. Les peptides détergents de synthèse ouvrent ici des possibilités et peuvent nous aider à élucider les interactions médicaments-protéines membranaires et donc à produire des médicaments plus efficaces et à réduire ou à éliminer leurs effets adverses.

Exploiter l'énergie solaire

L'étude détaillée du fonctionnement des protéines membranaires au niveau moléculaire n'est qu'un exercice visant à les comprendre. En approfondissant nos connaissances des modalités de communication des cellules avec leur environnement, nous acquerrons aussi des connaissances sur les réactions de tous les systèmes biologiques à leur environnement. Forts de ce savoir, les nanobiologistes ont commencé à fabriquer des machines moléculaires perfectionnées capables d'élaborer des capteurs extrêmement sensibles pour la détection médicale ou pour l'exploitation de l'énergie solaire. Dans le passé, les médecins chinois sentaient leurs patients pour diagnostiquer leurs affections, car ils croyaient que la maladie pouvait modifier les odeurs ou les sécrétions corporelles. En médecine moderne, on utilise un certain nombre d'instruments pour faire un diagnostic précis. À l'avenir, un capteur olfactif aussi sensible que le nez d'un chien pourrait aider à distinguer les personnes malades et celles qui sont en bonne santé. Au Royaume-Uni, des chiens ont déjà démontré leur capacité de repérer les gens atteints d'un cancer en reniflant leur odeur.

Une source d'énergie abordable, durable et respectueuse de l'environnement est, nul n'en disconviendra, indispensable à notre civilisation moderne. Du fait des dégâts environnementaux causés par la pollution résultant de l'emploi des carburants fossiles et de la demande croissante d'énergie à l'échelle planétaire, les problèmes d'énergie sont plus urgents aujourd'hui que jamais. Les solutions de substitution, dont on débat depuis des lustres, mais qui sont rarement envisagées sérieusement, font actuellement l'objet d'un intérêt soutenu par un sentiment d'urgence.

Par ailleurs, la mobilité croissance de l'informatique et des communications et l'ultraminiaturisation des matériaux et des machines moléculaires exigent le développement de sources d'énergie de faible encombrement, légères et capables de s'autoentretenir. Une source évidente d'énergie inépuisable est le soleil. La nature a produit un système efficace de conversion des photons en électrons, puis en énergie chimique, mécanisme que les plantes vertes ainsi que d'autres organismes biologiques utilisent depuis des milliards d'années.

La majeure partie de l'énergie disponible sur terre est obtenue par photosynthèse, au moyen de photosystèmes, qui sont les mécanismes les plus efficaces de recueil de l'énergie. Si nous trouvons un moyen d'exploiter l'énergie produite par les photosystèmes naturels, nous disposerons d'une source d'énergie propre et pratiquement inépuisable.

S'inspirant des photosystèmes des bactéries et des plantes vertes, les nanobiotechnologues ont démontré qu'il était possible de convertir les photons directement en électrons au moyen de nouvelles machines moléculaires biosolaires. Par une combinaison d'ingénierie de précision et d'ingénierie biologique, ils ont construit des photosystèmes nanoscopiques à densité extrêmement élevée et des machines moléculaires ultralégères qui captent l'énergie solaire.

Il faut deux composantes pour fabriquer une machine moléculaire qui capte l'énergie solaire : un système de production d'énergie biosolaire (photosystème) à partir de feuilles de plantes vertes, et des peptides détergents de synthèse. Pour la production d'énergie biosolaire, les chercheurs ont utilisé un photosystème simple. Ils ont commencé par purifier le système de photosynthèse des épinards et ils sont parvenus récemment à purifier celui de l'érable, du pin et du chêne, ainsi que celui des feuilles de bambou. Le photosystème complet, d'une taille de 20 nanomètres seulement, a été placé sur une plaquette recouverte d'or.

Les expériences se poursuivent pour trouver le moyen d'accroître la quantité d'énergie produite et la durée de production de cette nouvelle machine moléculaire du plus haut intérêt (figure 1).

Que pouvons-nous attendre ?

La poursuite du développement des nanomatériaux et des machines moléculaires viendra accroître nos connaissances et notre compréhension de phénomènes apparemment inexplicables. La nanoingénierie, sous forme de conception moléculaire de peptides autoassembleurs, est une technologie porteuse qui est appelée à jouer un rôle de plus en plus important dans le domaine de la biologie et à changer notre vie dans les décennies à venir. C'est ainsi, par exemple, que les tissus lésés et vieillissants pourront être remplacés au moyen de réseaux qui stimulent les cellules pour réparer divers organes, par exemple la peau. Il nous sera peut-être donné de nager et de plonger comme des dauphins ou d'escalader des montagnes avec un nanodispositif porteur d'oxygène qui nous permettra de mieux respirer en altitude. Nous verrons peut-être, la chose n'est pas inconcevable, des automobiles et des maisons peintes avec des machines moléculaires capables de photosynthèse qui permettront, à tous les habitants de notre planète et pas seulement pour quelques privilégiés, d'exploiter l'énergie solaire illimitée.

Nous sommes au début d'un long voyage durant lequel nous ferons un grand nombre de découvertes inattendues. Si les nanotechnologues ont encore de multiples défis à relever, ils s'emploieront activement à résoudre les nombreux problèmes liés à la fabrication moléculaire de matériaux composites et de machines moléculaires. Les peptides autoassembleurs peuvent être considérés comme les éléments constitutifs de matériaux nouveaux et des futures machines moléculaires de synthèse. Ils peuvent également être combinés à d'autres éléments constitutifs fondamentaux tels que les sucres, les lipides, les acides nucléiques et de nombreux cristaux métalliques. La nature nous a inspirés et nous a ouvert les portes sur ses secrets. À nous maintenant de faire usage de notre imagination pour faire fond sur ses matériaux et ses machines moléculaires et pour en poursuivre le développement.

Les opinions exprimées dans le présent article ne reflètent pas nécessairement les vues ni les politiques du gouvernement des États-Unis.