Micelles – le rendez-vous boostant la réaction

Micelles – le rendez-vous boostant la réaction
Micelles – le rendez-vous boostant la réaction

image : Une molécule suffisamment grosse et chargée peut attirer d’autres molécules qui se repoussent, tout comme la rouge sur l’image qui masque les bleues avec une charge négative. Photo : Grzegorz Krzyzewski
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Crédit : Source IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski

La synthèse de nouveaux matériaux ou la fabrication de matériaux est très complexe au niveau moléculaire. Considérons deux molécules qui ont des charges similaires. En raison de la répulsion, ils restent éloignés les uns des autres et se rapprochent rarement suffisamment pour que la réaction se produise. Ce type de réaction dans l’eau pure peut prendre des jours, voire des semaines, mais sa vitesse peut être considérablement réduite avec une petite étincelle. Une telle étincelle provient de catalyseurs naturels, comme des enzymes ou des nanozymes synthétiques qui imitent les catalyseurs naturels ainsi que des catalyseurs à base de métaux largement utilisés dans l’industrie. Peu importe leurs origines, ils accélèrent le rythme des réactions. Cependant, ils sont généralement sélectifs pour des réactions spécifiques.

Récemment, une équipe de recherche conjointe de l’Institut de chimie physique, de l’Académie polonaise des sciences, de l’Université de Zurich, de l’Université Radboud, de l’Université de Lancaster, de l’Université d’Oxford et de l’Université de Varsovie dirigée par le prof. Robert Hołyst a démontré que l’accélération des vitesses de réaction entre deux molécules biologiquement actives de même charge dépend de la nature et de la forme de la charge dans la solution aqueuse. En tant que réaction modèle, la formation d’un complexe entre deux composés chargés négativement – la molécule de coenzyme A et son dérivé se repoussant l’un l’autre – a été étudiée. Ce processus est beaucoup plus lent dans les milieux aqueux par rapport aux solvants organiques. Par conséquent, il a été exposé aux composés contre-chargés pour augmenter la vitesse de réaction dans l’eau. Les scientifiques ont vérifié des molécules de différentes tailles et quantités de charge comme des ions, des monomères, des zwitterions, des oligomères, des polymères et même des micelles. Les résultats ont été remarquables. La constante de vitesse de réaction a été augmentée de 5 millions de fois par les micelles de charge positive. En revanche, les monomères, les oligomères et les polymères ont amélioré la vitesse de réaction 103-dix5– fois, tandis que les ions ou les zwitterions n’augmentent le rythme de réaction que d’environ 1000 fois (c’est-à-dire le criblage conventionnel).

Adam Kowalski remarque : «Dans ce travail, nous avons cherché à déterminer si l’amélioration de la vitesse de réaction par des espèces « contre-chargées » pouvait être un phénomène général et expliqué la base théorique d’une telle catalyse électrostatique. Notre article montre que les vitesses de réaction peuvent être contrôlées dans plusieurs ordres de grandeur en ajustant la grandeur et la distribution spatiale de la charge électrique du catalyseur”.

Comment ça marche? L’exposition de la coenzyme A (CoA) ou de la coenzyme A substituée par le méthylmaléimide (CoA-M) sur les composés ayant des charges opposées perturbe la répulsion entre la CoA chargée négativement et la CoA-M. Lorsque la taille des composés ajoutés est égale ou supérieure à la longueur de Debye, les molécules chargées négativement avec des concentrations spécifiques négligent la répulsion des agents chargés positivement, se rapprochant les unes des autres. Ainsi, le composé ajouté filtre les forces de répulsion des molécules, faisant de ce processus un cas particulier de catalyse. Les chercheurs ont également testé l’hybridation d’ADN sensible aux ions pour déterminer si l’effet décrit fonctionne pour des processus plus complexes. Comme pour la réaction CoA et CoA-M, les composés chargés positivement accélèrent la vitesse de réaction, confirmant la nature électrostatique de la catalyse.

Nous accélérons la réaction chimique dans l’eau de 5 millions de fois en utilisant une approche inhabituelle mais simple, des tensioactifs chargés positivement (donc pratiquement un savon). Ce phénomène a été mis en évidence dans une réaction covalente entre deux coenzymes A et formation d’un complexe non covalent – duplex d’ADN. Nous encourageons les chimistes et les biochimistes à accélérer d’autres réactions prolongées entre des composés de même charge qu’ils ont observés. De plus, nos découvertes peuvent ouvrir la voie à la réalisation de certaines réactions dans l’eau avec des tensioactifs qui étaient alors réalisées dans des solvants organiques ». – prétend le dr. Grzegorz Bubak.

Comme les micelles de chlorure de cétrimonium (CTAC), de chlorure de benzéthonium (BTC) et de chlorure de cétylpyridinium (CPC) sont beaucoup plus grandes que les autres composés et tensioactifs multi-chargés, leur charge de surface en fait un “point de contact” pour les autres molécules. Cet effet est observé dans les réactions chimiques et la dimérisation de l’ADN, y compris l’interaction de deux molécules chargées négativement. Ainsi, cet effet catalytique unique peut également être obtenu pour des processus physiques améliorant le transport des molécules. Les résultats expérimentaux présentés par les chercheurs prouvent que l’augmentation de la vitesse de réaction est directement corrélée à la charge de surface du catalyseur dans le système. Ainsi, le contrôle des charges du composé permet de contrôler la cinétique de processus spécifiques.

Le Dr Paweł Zuk déclare : «Les résultats expérimentaux ont guidé un modèle théorique prédictif. Le mécanisme catalytique est l’augmentation du taux de rencontres avec le substrat. Nous sommes convaincus qu’il est également applicable à d’autres particules.

Cette percée nous rapproche des futures applications de détection pour détecter des ions spécifiques dans des solutions très diluées ou des interactions entre des molécules particulières. Les chercheurs soulignent également l’importance de la collaboration interdisciplinaire. Leurs découvertes conjointes ouvrent la porte au contrôle des réactions chimiques, même à petite échelle.

Ce travail a été soutenu par le National Science Center, Pologne, dans le cadre de la subvention Preludium Bis 2020/39/O/ST4/00877, ainsi que Simons Collaboration on the Origins of Life (SCOL; prix 477123), Spinoza Grant of the Netherlands Organization pour la recherche scientifique (NWO), le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Skłodowska-Curie n° 847413, et ministre des Sciences et de l’Enseignement supérieur intitulé « PMW » en 2020-2024 ; accord n° 5005/H2020-MSCA-COFUND/2019/2.

ARTICLES SCIENTIFIQUES:

A. Kowalski, K. Bielec, G. Bubak, PJ Zuk, M. Czajkowski, V. Sashuk, WTS Huck, JM Antosiewicz et R. Holyst

Nature Communications, volume 13, numéro d’article : 6451 (2022)

DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-022-34182-z


Journal

Communication Nature

Le titre de l’article

Le filtrage efficace des répulsions de Coulomb dans l’eau accélère les réactions de composés de même charge par des ordres de grandeur

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