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[Cahier Technique] Quand les polymères deviennent messagers à l'échelle moléculaire

[Cahier Technique] Quand les polymères deviennent messagers à l'échelle moléculaire

Jean-François Lutz et son équipe de l’Institut Charles Sadron ont réussi à synthétiser de longs polymères contenant des séquences de monomères parfaitement définies.

Les polymères numériques sont des macromolécules synthétiques permettant de stocker des messages à l’échelle moléculaire. Ils ouvrent des perspectives inédites pour le stockage de données, la lutte anti-contrefaçon et la traçabilité de matériaux.

Au siècle du numérique, le stockage et la gestion de l’information sont devenus des enjeux scientifiques et technologiques majeurs. Ainsi, depuis plusieurs décennies, de nouveaux concepts permettant de stocker et de transmettre des données sont étudiés aussi bien au niveau académique que préindustriel. Dans ce contexte, il a été démontré dernièrement que les unités monomères de certains polymères naturels ou synthétiques peuvent être utilisées comme un alphabet pour écrire de l’information à l’échelle moléculaire. Grâce à des procédés de polymérisation permettant un agencement précis des monomères, une séquence (binaire, ternaire ou autre) peut être inscrite dans une chaîne de polymère. Des messages (textes, images, vidéos…) peuvent donc être stockés sur une ou plusieurs macromolécules et décodés par une méthode de séquençage.

Si la majeure partie de ces travaux a été effectuée sur l’ADN, des polymères synthétiques possédant des propriétés de stockage similaires ont été développés très récemment. À ce jour, environ quinze familles de polymères informationnels non naturels ont été décrites dans la littérature ou brevetées. Au-delà des enjeux du numérique, ces polymères peuvent également être utilisés à l’état de trace pour sécuriser ou identifier des produits commerciaux, mais aussi pour tracer des matériaux recyclés. Ces découvertes ouvrent des champs d’application pour les polymères synthétiques.

1. Principe

La matière codée n’est plus nécessairement biologique

Identifiées au XXe siècle, les propriétés des polymères synthétiques sont aujourd’hui largement exploitées par l’industrie. L’élasticité, la transparence, l’hydrosolubilité, la gélification, le pouvoir filtrant ou la conductivité, par exemple, sont déclinés dans une dans une grande variété de matériaux de commodité ou de spécialité utilisés pour produire les objets de notre quotidien. Cette exploitation intensive de nombreuses familles de polymères peut donner l’impression qu’il s’agit d’un domaine totalement défriché. Il n’en est rien si on compare les propriétés des polymères synthétiques à celles des polymères naturels comme les polysaccharides, les protéines ou les acides nucléiques.

Il existe en effet dans la nature de nombreuses propriétés macromoléculaires qui sont encore loin d’avoir été recréées par l’homme. Le stockage macromoléculaire d’informations en fait partie. L’évolution et l’hérédité sont des phénomènes qui sont essentiellement régulés par un polymère fonctionnel : l’ADN. Dans cette macromolécule, l’agencement des quatre monomères A (adénine), T (thymine), G (guanine) et C (cytosine) permet de stocker de l’information génétique. Cette « matière codée » est en quelque sorte un disque dur moléculaire capable de stocker, modifier et transmettre de l’information à très petite échelle.

Jusqu’à très récemment, il était admis que seuls les polymères biologiques, comme l’ADN, pouvaient avoir des propriétés aussi élaborées. En effet, les copolymères synthétiques ont, en général, des structures moléculaires assez peu contrôlées, dans lesquelles il n’est pas possible d’inscrire des messages. Depuis une dizaine d’années, des méthodes chimiques permettant de contrôler les séquences de comonomères dans des polymères synthétiques ont été décrites. Beaucoup d’entre elles ne permettent qu’un contrôle assez grossier des séquences, mais d’autres sont plus précises et conduisent à des agencements sans défauts. Ces découvertes ont conduit au développement d’une nouvelle génération de polymères fonctionnels dits « de précision », qui présentent un intérêt pour des domaines industriels aussi variés que la catalyse, le relargage contrôlé de médicaments, la microélectronique ou le stockage moléculaire d’information.

C’est peut-être dans ce dernier domaine que les travaux les plus innovants ont été réalisés. Si les séquences des polymères synthétiques peuvent être régulées avec précision, il est également possible de structurer l’information qu’elles contiennent. Celle-ci peut ainsi être stockée sur d’autres polymères que l’ADN, par exemple sur des polyamides, des polyuréthanes ou des polyesters. Ces polymères informationnels peuvent être codés en utilisant différents types de langages : génétique, alphabétique, Morse, code-barres ou binaire. Dans tous les cas de figure, il suffit de sélectionner les monomères adéquats pour établir ces codes à l’échelle moléculaire. Par exemple, pour écrire de l’information binaire, deux comonomères sont utilisés comme bit-0 et bit-1 (fig. 1). Le polymère formé contient alors une séquence contrôlée de 0 et de 1 qui peut être décodée par une méthode de séquençage.

Ce concept simple a été étudié par un grand nombre d’équipes au cours des cinq dernières années et a déjà conduit à des avancées importantes. Il est désormais possible d’écrire, de lire mais aussi d’effacer ou de modifier des séquences numériques macromoléculaires. Ainsi, ces polymères sont désormais bien plus qu’une simple curiosité de laboratoire et suscitent un engouement grandissant dans les domaines universitaire et industriel.

FIG. 1 Concept Général


Un message peut être stocké dans un polymère. L’information est d’abord traduite en langage binaire, puis en un langage chimique. La séquence correspondante est ensuite synthétisée. À tout moment, elle peut être décodée par une méthode de séquençage. Dans certains cas, le polymère peut aussi être effacé.

2. Écriture

Vers un procédé pour contrôler la séquence des polymères

Les polymères numériques doivent avoir une structure moléculaire parfaitement contrôlée dans laquelle chaque unité monomère est positionnée à un endroit précis de la chaîne. Il ne doit donc pas y avoir de défaut dans ces polymères. Si un monomère est mal placé dans la séquence d’information, le message devient tronqué. Dans un échantillon donné, les chaînes macromoléculaires doivent toutes avoir la même longueur et la même séquence. Il n’est pas possible de réaliser ce genre de choses avec les méthodes traditionnelles de polymérisation – comme la polycondensation – utilisées dans l’industrie. En effet, ces procédés conduisent à des échantillons hétérogènes contenant des macromolécules de différente longueur. De plus, lorsque plusieurs comonomères sont utilisés dans ces approches classiques, les séquences de monomères ne sont pas (ou peu) contrôlées. Pour fabriquer des polymères numériques, il faut recourir à des chimies un peu plus compliquées de type multi-étapes. Dans ces approches, les monomères sont attachés étape par étape sur un support solide (fig. 2).

FIG.2 La synthèse multi-étapes


Pour synthétiser un polymère codé, il faut attacher les monomères (M = 0 ou 1) un par un et dans un ordre précis. Ici, les monomères possèdent des fonctions réactives X et Y. Pour éviter une polymérisation incontrôlée, la fonction X est temporairement désactivée. La fonction Y peut donc être sélectivement attachée sur un amorceur (A). Après installation du premier monomère, la fonction X est réactivée et un second monomère est installé suivant le même principe. Le processus est répété un certain nombre de fois jusqu’à obtention de la taille de chaîne souhaitée.

 

Lorsque plusieurs monomères différents sont utilisés, la séquence formée est donc contrôlée par l’expérimentateur (ou par un ordinateur) qui définit dans quel ordre seront attachés les monomères. À l’origine, ce type de chimie a été développé pour la synthèse de protéines ou d’oligonucléotides. Mais ces stratégies ont ensuite été étudiées pour la synthèse de polymères non biologiques. Parmi tous les exemples publiés et brevetés, on dénombre près d’une quinzaine de familles de polymères numériques. Les plus étudiés sont les polyphosphates, les polyuréthanes et les polyamides (fig. 3). Bien sûr, ce type de chimie ne se réalise pas à la même échelle que la synthèse des plastiques de commodité.

Dans les laboratoires de recherche, les synthèses en phase solide s’effectuent à l’échelle du gramme, voire le plus souvent en deçà. En revanche, sur le plan industriel, elles peuvent être conduites jusqu’à une centaine de kilos. Concernant les temps de préparation, ces synthèses peuvent aller de quelques heures à plusieurs jours. Dans l’absolu, ces approches sont donc beaucoup plus lentes que la vitesse d’écriture d’un ordinateur. Toutefois, elles peuvent être effectuées parallèlement sur des plates-formes combinatoires ou sur des micropuces.

Le principal avantage des polymères numériques par rapport à l’ADN réside dans le fait que leur design peut être facilement modifié pour répondre à des impératifs technologiques. Les polymères naturels sont assujettis à des contraintes biologiques et, par conséquent, leur structure ne peut pas (ou très peu) être changée. Les choses sont[…]

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