Contrôler le diamètre de nanotubes pharmaceutiques par l'acidité du milieu

En scrutant une molécule de synthèse à une échelle plus petite que l’atome, des chercheurs ont montré comment les variations d’acidité du milieu modifiaient le diamètre de nanotubes pharmaceutiques. Ils éclairent ainsi le mécanisme qui permet à certains virus de contaminer leurs cellules-cibles, tout en ouvrant des perspectives pour l’assemblage de nanomatériaux.

Contrôler le diamètre de nanotubes pharmaceutiques par l'acidité du milieu
  1. Des nanotubes qui changent de taille… mais comment ?
  2. Du matériel de pointe pour une observation très fine
  3. L’histidine au cœur du mécanisme
  4. De la molécule de synthèse aux applications

Des nanotubes qui changent de taille… mais comment ?

Des chercheurs de l’IPR (CNRS/Université de Rennes 1), du CEA et d'Ipsen travaillent depuis des années sur les nanotubes de synthèse. Ils ont découvert une propriété étonnante dans les nanotubes formés par la triptoréline, un assemblage de dix acides aminés analogue de l’hormone naturelle gonarodeline. Ce médicament (un gel injectable) est utilisé pour traiter le cancer de la prostate et certains cas d’infécondité féminine.

Or, ce gel présente une texture qui varie en fonction de l'acidité du milieu, et ce de manière réversible. En y regardant de plus près, la triptoréline se présente sous forme de nanotubes. C'est leur variation en diamètre (de 11 à 50 nm, environ mille fois plus petit que le diamètre d'un cheveu), comparable à la différence de diamètre entre un spaghetti et un cannelloni, qui est responsable des changements de texture du gel. Il a fallu cinq ans de recherche pour expliquer ce phénomène.

Du matériel de pointe pour une observation très fine

Une combinaison innovante de techniques de cristallographie, de microscopie électronique à échelle nanométrique et de matériel d’analyses fines a permis de mettre en évidence l'élément précis responsable de ce changement de diamètre.

Grâce au synchrotron SOLEIL, un accélérateur de particules qui permet d'envoyer des rayons X sur un échantillon et d'en récupérer la lumière diffusée, les chercheurs ont pu observer la variation de diamètre des nanotubes. Les détails à l'échelle inférieure à celle de l'atome ont été obtenus grâce à l’utilisation de plusieurs techniques expérimentales aux résultats complémentaires, notamment en spectroscopie vibrationnelle.

L’histidine au cœur du mécanisme

L'organisation des molécules de triptoréline entre elles influe sur le diamètre du tube formé. La triptoréline est un élément de synthèse simple, composé de dix « briques de base » que sont les acides aminés. C’est tout spécialement l’un d’entre eux, l’histidine, qui réagit différemment en fonction de l’acidité du milieu.

En milieu acide (pH <6,5), l’histidine se charge positivement, ce qui entraîne des répulsions électrostatiques qui éloignent les neuf autres acides aminés de la triptoréline et lui donnent une forme allongée. Les molécules de triptoréline s'organisent parallèlement pour former une paroi, qui est fortement courbée à cause de la grande différence chimiques entre ses deux faces. Cette paroi se ferme pour former un nanotube de 11nm de diamètre.

En milieu basique (pH >7,5), l’histidine ne repousse plus les autres acides aminés et se replie sur elle-même. La triptoréline adopte une forme globulaire compacte. Les nanotubes formés des molécules de triptoréline ont une courbure plus large et un diamètre de 50nm.

De la molécule de synthèse aux applications

La mise en évidence de la réaction de l’histidine à l’acidité du milieu permet d’éclairer les mécanismes similaires mais bien plus complexes observés dans la nature. Beaucoup de virus l’utilisent, comme le virus de l’influenza ou de la dengue : ils détectent l’acidité des membranes cellulaires et s’activent en changeant de forme pour permettre la fusion entre leur membrane et celle de leur cible.

C’est l’observation très fine rendue possible par les laboratoires impliqués dans l’étude qui a permis de mettre en évidence ce phénomène pour la première fois. Telle une brique standard de jeu de construction, l'histidine peut entrer dans construction d'une très grande variété de structures. Le mécanisme en cause étant très généralisé, l’histidine et sa capacité de changement de forme offrent des perspectives très larges d’intégration dans le domaine des nanomatériaux biomimétiques, pour la construction de structures modulables.

Les travaux des chercheurs de l’université de Rennes 1, du CNRS, du CEA-iBiTec-S, et d’Ipsen ont été réalisés dans le cadre du laboratoire commun Archi-Pex.