Auto-assemblage moléculaire: Faire progresser la conception des nanostructures grâce à l'ingénierie moléculaire guidée par l'ADN

Par Fouad Sabry

Plongez dans le monde révolutionnaire de l'auto-assemblage moléculaire, où les structures les plus complexes de la nature inspirent des conceptions innovantes pour la technologie et la science. Ce livre propose une exploration complète des principes fondamentaux de l'auto-assemblage moléculaire, de l'origami de l'ADN et de la nanotechnologie. En comprenant ces concepts, les lecteurs comprendront comment les systèmes moléculaires peuvent être conçus pour résoudre des problèmes allant de la médecine au stockage d'énergie. Cette ressource essentielle est parfaite pour les professionnels, les étudiants diplômés et de premier cycle et les passionnés de domaines tels que la nanotechnologie, la biochimie et l'ingénierie moléculaire.

Auto-assemblage moléculaire-une introduction au processus naturel d'auto-assemblage dans les systèmes moléculaires.

Nanobiotechnologie-explore l'interface entre la nanotechnologie et les systèmes biologiques, en soulignant ses applications potentielles.

Auto-assemblage-un regard approfondi sur la façon dont les molécules s'organisent spontanément en systèmes structurés et fonctionnels.

Machine moléculaire-discute de la conception et de l'application des machines moléculaires qui effectuent des tâches à l'échelle nanométrique.

Roeland Nolte-examine les contributions de Roeland Nolte au domaine de la chimie supramoléculaire et de l'assemblage moléculaire.

Polymère supramoléculaire-se concentre sur les polymères assemblés par des interactions non covalentes, offrant de nouvelles possibilités de matériaux.

Ingénierie cristalline-étudie comment l'auto-assemblage moléculaire joue un rôle clé dans la conception de matériaux cristallins.

Cages macromoléculaires-présente les cages macromoléculaires, leur structure et leurs applications en chimie et en biologie.

Origami ADN-discute du concept révolutionnaire d'utilisation de l'ADN pour former des nanostructures complexes et programmables.

Chimie supramoléculaire-explore la chimie derrière les interactions non covalentes et leurs applications en ingénierie moléculaire.

Catalyse supramoléculaire-examine comment la chimie supramoléculaire peut améliorer la catalyse dans les réactions moléculaires.

Auto-assemblage de nanoparticules-explore la manière dont les nanoparticules s'auto-assemblent pour former des matériaux fonctionnels aux propriétés uniques.

Résorcinarène-étude approfondie des composés de résorcinarène et de leur rôle dans l'auto-assemblage moléculaire.

Complexe protéique-discute du rôle des complexes protéiques dans les processus de reconnaissance et d'auto-assemblage moléculaires.

Nanotechnologie-offre un aperçu de la nanotechnologie, explore ses applications et son lien avec l'auto-assemblage moléculaire.

Bacillus virus phi29-se concentre sur le virus phi29 et son rôle dans l'avancement des techniques d'ingénierie moléculaire.

Architectures moléculaires mécaniquement imbriquées-discute de la création d'architectures moléculaires complexes à l'aide de composants imbriqués.

Nanotechnologie de l'ADN-explore le domaine de pointe de la nanotechnologie de l'ADN et son impact sur l'ingénierie moléculaire.

Ingénierie moléculaire-explore la conception et la manipulation de molécules pour des applications pratiques en technologie.

Reconnaissance moléculaire-étudie les processus de reconnaissance moléculaire qui pilotent l’auto-assemblage et les systèmes fonctionnels.

Origami ARN-conclut avec l’origami ARN, en examinant comment les molécules d’ARN peuvent être utilisées pour former des nanostructures similaires à l’origami ADN.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 8 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Auto-assemblage moléculaire

Le processus par lequel les molécules adoptent un arrangement spécifique sans supervision ou contrôle d'une source externe est appelé auto-assemblage moléculaire. Ce processus est étudié dans les domaines de la chimie et de la science des matériaux. Le processus d'auto-assemblage peut être divisé en deux catégories : intramoléculaire et intermoléculaire. L'auto-assemblage moléculaire est une expression largement utilisée pour désigner le premier, tandis que le pliage est un terme plus couramment utilisé pour désigner le second.

En chimie supramoléculaire, l'un des concepts les plus importants est appelé auto-assemblage moléculaire.  Cela est dû au fait que l'assemblage des molécules dans de tels systèmes est piloté par des interactions non covalentes (telles que la liaison hydrogène, la coordination métallique, les forces hydrophobes, les forces de van der Waals, les interactions d'empilement de pi et/ou les interactions électrostatiques) en plus des interactions électromagnétiques. La création de colloïdes, de condensats biomoléculaires, de micelles, de vésicules, de phases de cristaux liquides et de monocouches de Langmuir par des molécules tensioactives sont tous des exemples fréquemment rencontrés. L'auto-assemblage moléculaire peut être utilisé pour créer des assemblages supramoléculaires qui sont d'une large gamme de formes et de tailles, comme le démontrent d'autres exemples d'assemblages supramoléculaires.

La construction de topologies moléculaires difficiles est rendue possible par le processus d'auto-assemblage moléculaire. Les anneaux borroméens, qui sont des anneaux imbriqués dans lesquels le retrait d'un anneau débloque tous les autres anneaux, en est une bonne illustration. Une structure moléculaire analogue aux anneaux borroméens a été construite à l'aide de l'ADN. Plus récemment, une structure comparable à celle-ci a été construite à l'aide de blocs de construction non biologiques.

En raison du fait que l'auto-assemblage moléculaire est la base sur laquelle les assemblages macromoléculaires biologiques et les condensats biomoléculaires sont construits dans les créatures vivantes, il est essentiel au fonctionnement des cellules. La synthèse de l'ADN en double hélice par liaison hydrogène des brins individuels, l'auto-assemblage des lipides pour créer la membrane et l'assemblage des protéines pour former des structures quaternaires sont autant d'exemples de la façon dont ce phénomène se manifeste. Les troubles neurodégénératifs infectieux liés aux prions sont causés par l'auto-assemblage moléculaire de protéines qui ont été mal repliées en fibres amyloïdes insolubles. Les extraordinaires structures de lamelles/setae/spatules en β-kératine que les geckos utilisent pour grimper aux murs et coller aux plafonds et aux surplombs rocheux sont formées par le processus d'auto-assemblage moléculaire de structures à l'échelle nanométrique. Ce processus joue un rôle dans la formation de ces structures.

Le terme « multimère » fait référence à la structure d'une protéine qui se manifeste sous la forme d'un complexe lorsque de nombreuses copies d'un polypeptide transcrit par un gène s'assemblent pour créer le complexe.    La présence de gènes codant pour des polypeptides pouvant former des multimères semble être répandue.  Lorsqu'un multimère est généré à partir de polypeptides produits par deux allèles mutants distincts d'un gène spécifique, le multimère mixte peut présenter plus d'activité fonctionnelle que les multimères non mélangés formés par l'un ou l'autre des mutants seuls. En effet, le multimère mixte est composé d'un amalgame des deux allèles mutants.  La complémentation introgène est le terme utilisé pour décrire l'événement qui se produit dans un tel scénario.  Il a été souligné par Jehle que lorsque des molécules sont immergées dans un liquide et mélangées à d'autres molécules, les forces de fluctuation de charge préfèrent l'association de molécules identiques les unes aux autres en tant que voisines les plus proches.

Les approches ascendantes de la nanotechnologie incluent l'auto-assemblage moléculaire comme une composante essentielle de ces technologies. Grâce au processus d'auto-assemblage moléculaire, la structure finale, qui est spécifiquement souhaitée, est programmée pour prendre la forme et les groupes fonctionnels des molécules. Il y a une différence entre un processus de fabrication « descendant » comme la lithographie, dans lequel la structure finale souhaitée est découpée dans un bloc de matière plus gros, et une technique de fabrication « ascendante » comme l'auto-assemblage, qui fonctionne de bas en haut. Il est possible que l'auto-assemblage moléculaire soit utilisé dans la production de micropuces à l'avenir, selon la vision hypothétique de la nanotechnologie moléculaire. L'un des avantages de la génération de nanostructures pour les matériaux biologiques par le processus d'auto-assemblage moléculaire est que ces nanostructures se décomposeront en molécules individuelles, que le corps sera capable de décomposer au fur et à mesure de leur décomposition.

Des recherches sont actuellement menées dans le domaine de la nanotechnologie de l'ADN, qui utilise la technique ascendante de l'auto-assemblage pour atteindre des objectifs nanotechnologiques. Des complexes d'ADN ramifiés auto-assemblés avec des caractéristiques utiles peuvent être créés par l'application de la nanotechnologie de l'ADN, qui utilise les propriétés de reconnaissance moléculaire distinctives de l'ADN et d'autres acides nucléiques. Afin de créer des structures telles que des treillis bidimensionnels et tridimensionnels sophistiqués (à la fois basés sur des tuiles et utilisant l'approche de l'origami d'ADN), ainsi que des structures tridimensionnelles en forme de polyèdres, l'ADN n'est pas utilisé comme support d'information biologique, mais plutôt comme matériau à des fins structurelles. Il y a eu des cas où ces constructions d'ADN ont été utilisées comme modèles dans le processus d'assemblage d'autres molécules, telles que les protéines de streptavidine et les nanoparticules