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Vers des catalyseurs processifs allostériques pour l'encodage moléculaire – PRALLOCAT

Vers de catalyseurs processifs allostériques pour l'encodage moléculaire

Le stockage de données est une préoccupation majeure de nos sociétés modernes et l’encodage moléculaire est l'un des moyens les plus prometteurs d'aborder ce problème. Nous avons l'intention de jeter les bases d'un système d'encodage moléculaire capable d'écrire sur un substrat polymère de manière séquentielle et contrôlée. La conception d'une nouvelle classe de catalyseurs, à savoir des catalyseurs allostériques processifs, pourrait contribuer à l'élaboration de machines de calcul moléculaires.

Processivité et séquentialité

Ce projet tirera avantage d'un assemblage catalyseur-polymère de nature pseudo-rotaxane pour atteindre la processivité tandis que la séquentialité sera assurée par un mécanisme à cliquet original permettant un glissement unidirectionnel du catalyseur le long de la chaîne polymère; le contrôle d'écriture sera réalisé par communication allostérique. La conception des catalyseurs allostériques processifs ciblés associe une cavité à un complexe bimétallique afin de rapprocher une chaîne polymère enfilée à deux sites métalliques caractérisés par deux fonctions distinctes: «écriture« (site actif = Mwrite) et «lecture / cliquetage« (site de lecture = Mread / cliquet). En pratique, notre conception associe une sous-unité d'hexaphyrine (H) à un ou deux hôtes de cyclodextrine (CD) pour donner des composés hybrides 1: 1 (HCD) ou 1: 2 (CDHCD). Ayant ces molécules en main, trois objectifs majeurs peuvent être définis pour réaliser une preuve de concept pour un système d'encodage moléculaire:<br />- écriture contrôlée de façon allostérique;<br />- l'écriture séquentielle à partir du cliquet;<br />- écriture contrôlée et séquentielle à partir de la communication allostérique et du cliquet.

Le programme scientifique est divisé en 5 tâches distinctes.
La tâche 1 est la tâche de coordination globale du projet.
La deuxième tâche (tâche 2) est liée à la synthèse et à la caractérisation des ligands constitués d'un chapeau hexaphyrine régulière couplée à une ou deux cyclodextrines protégées. Tous les nouveaux composés organiques sont caractérisés par des techniques standard (caractérisation structurale, analyse conformationnelle, propriétés électroniques et chiroptiques).
La troisième tâche (tâche 3) se concentre sur les propriétés de coordination et d'hôte-invité (y compris l’enfilage de polymères) des ligands hexaphyrine-cyclodextrine préparés dans la tâche 2.
Dans la quatrième tâche (tâche 4), nous étudierons l'activité catalytique des complexes métalliques vis-à-vis de l'écriture contrôlée et séquentielle sur un ruban de polymère.
La dernière tâche (tâche 5) concerne la diffusion des résultats du projet et sera réalisée par communication dans des revues à haut facteur d’impact et dans des congrès internationaux.

Lors de cette première partie, de nombreuses avancées ont été obtenues. Nous avons finalisé deux études clés, l’une portant sur des hexaphyrines chapeautées par des cryptants, l’autre sur des hexaphyrines doublement chapeautées par des cyclodextrines. Ces études publiées dans des journaux internationaux prestigieux nous confortent dans l’intérêt de ce type de structures quant aux applications visées. Suite à cela, nous avons développé tout une gamme de nouveaux composés hybrides hexaphyrine-cyclodextrine. Notamment, ceux dont les sous-unités sont reliées par deux ponts covalents sont accessibles sur une large échelle, et leur propriétés de coordination sont bien supérieures à leurs analogues triplement pontés. Afin de développer une chimie hôte-invité, nous avons d’une part agrandi la cavité de la cyclodextrine, et d’autre part « désencombré » sont ouverture. Aussi, afin de développer une activité catalytique, une modification structurale de la sous-unité hexaphyrine a été réalisée. Ces résultats sont très encourageants, et nous poursuivons activement l’étude de ces composés hybrides.

Nous nous concentrons maintenant sur les propriétés de coordination des hybrides doublement pontés et à cavité élargie. Pour ces derniers, une synthèse à grande échelle sera effectuée afin d'étudier leurs propriétés hôte-invité également. Les études de réactivité débuteront bientôt avec les hexaphyrines structurellement modifiées.

“Tren-Capped Hexaphyrin Zinc Complexes : Interplaying Molecular Recognition, Möbius Aromaticity, and Chirality”
Ruffin, H.; Nyame Mendendy Boussambe, G.; Roisnel, T.; Dorcet, V.; Boitrel, B.; Le Gac, S. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13847-13857.

“Cyclodextrin-Sandwiched Hexaphyrin Hybrids. Side-to-Side Cavity Coupling Switched by a Temperature and Redox Responsive Central Device”
Ménand, M.; Sollogoub, M.; Boitrel, B.; Le Gac, S. Chem. Eur. J. 2018, 24, 5804-5812.

Cover Feature: Cyclodextrin-Sandwiched Hexaphyrin Hybrids: Side-to-Side Cavity Coupling Switched by a Temperature- and Redox-Responsive Central Device (Chem. Eur. J. 22/2018)

Certains processus vitaux tels que le processus de réplication de l’ADN font intervenir des enzymes dites processives, capables de se lier et de se déplacer le long d’un substrat (typiquement un biopolymère) et de réaliser une série de transformations sans dissociation. Alors même que des catalyseurs processifs de synthèse pourraient jouer un rôle majeur dans le traitement de l’information à l’échelle moléculaire, le développement de tels analogues artificiels est à un stade précoce. En effet, l’écriture contrôlée et la lecture d’une information de type binaire encodée sur une chaine polymérique constituent un socle pour la réalisation future de processeurs moléculaires.
Ce projet se propose de poser les fondations pour un système d’encodage moléculaire, capable d’écrire sur un substrat de type polymère de manière contrôlée et séquentielle. Un tel système, aujourd’hui inexistant, repose sur la conception d’un nouveau type de catalyseurs, plus précisément des catalyseurs processifs allostériques, qui pourraient à plus long terme contribuer à la réalisation de processeurs moléculaires. Le système visé implique un assemblage de type pseudo-rotaxane entre un catalyseur et un polymère, cet agencement devant assurer la processivité. La séquentiallité du processus d’écriture sera assurée par un système original de cliquet moléculaire imposant un mouvement unidirectionnel du catalyseur le long du polymère. Le contrôle de l’écriture se fera par le biais d’un processus de communication allostérique. Les catalyseurs processifs allostériques visés associent une cavité hydrophobe à un site bimétallique dans le but d’aligner une chaine de polymère complexée (littéralement « enfilée ») avec deux ions métalliques présentant des fonctions différentes : « écrire » (site actif) et « lire/bloquer » (site de régulation). Concrètement, ces ligands incorporeront une sous-unité hexaphyrine (H) et une ou deux sous-unités cyclodextrine (CD) conduisant à des composés hybrides 1 :1 (HCD) ou 1 :2 (CDHCD). De part leur conception novatrice, ils remplissent les pré-requis pour des catalyseurs processifs allostériques travaillant de manière séquentielle puisque comportant : (i) un espace confiné situé entre l’hexaphyrine et la cyclodextrine capable de complexer une chaine de polymère, assurant ainsi la processivité; (ii) deux sites de coordination différenciés, permettant d’assigner un rôle propre à chacun des deux ions métalliques (« écrire » / « lire, bloquer »).
Notre programme de travail inclura les étapes suivantes : (i) la synthèse et la caractérisation de ligands hexaphyrine-cyclodextrine, avec des variations structurales au niveau du chapeau hexaphyrine et des cols de la cyclodextrine. Cela permettra de moduler les propriétés de coordination ainsi que les assemblages catalyseur-polymère de type pseudo-rotaxane; (ii) l’évaluation des propriétés de coordination et hôte-invité des hybrides HCD, ainsi que l’étude de leur interaction avec des chaines polymères ; (iii) l’étude de l’activité catalytique des complexes métalliques dérivés d’HCD, en se focalisant sur l’époxidation catalytique d’alcènes. Les conditions optimum d’oxydation seront définies avec des composés hexaphyrine modèles, et seront appliquées aux complexes métalliques d’HCD complexés à une chaine polybutadiène. Plus particulièrement, nous nous concentrerons sur les deux points suivants, un contrôle allostérique de l’écriture et une écriture séquentielle provenant d’un système original de cliquet moléculaire inhérent ou induit par coordination.
La réalisation de ce projet constituerait une réelle percée dans le domaine des catalyseurs processifs artificiels. Cela ouvrirait la porte à des systèmes encore plus complexes, capables par exemple de lire et de répliquer un polymère encodé.





Coordination du projet

Stéphane Le Gac (Institut des Sciences Chimiques de Rennes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS-Université de Rennes 1 Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Aide de l'ANR 206 550 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 36 Mois

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