Étude sur la transmission de la chiralité dans les virus à cristaux liquides

La chiralité est un phénomène omniprésent dans la nature et a un impact significatif dans des domaines tels que la biologie, la chimie, la physique et les sciences des matériaux. Cependant, le mécanisme de transmission de la chiralité, depuis les blocs de construction à l’échelle nanométrique jusqu’aux structures hélicoïdales macroscopiques, reste un mystère non résolu. Dans cette étude, les auteurs révèlent les mécanismes clés de la transmission de la chiralité en étudiant l’auto-assemblage de virus filamenteux dans des phases liquidiennes chirales. Ils explorent comment les motifs de charge de surface et les déformations hélicoïdales de l’épine dorsale du virus agissent conjointement pour former des structures hélicoïdales dans les phases de cristaux liquides virales.

Contexte de l’étude

La transmission de la chiralité dans les phases de cristaux liquides revêt une grande importance dans divers domaines. Par exemple, de la chiralité des molécules possédant des atomes de carbone asymétriques aux superstructures hélicoïdales ordonnées et aux dispositifs macro-chiraux, comprendre et contrôler la propagation de la chiralité est crucial pour la biologie, la chimie, la physique, ainsi que pour la nanotechnologie et les sciences des matériaux. En particulier, la phase de cristal liquide appelée “phase cholestérique” est une représentation typique de l’assemblage chiral. Cette structure est omniprésente dans diverses applications technologiques, comme dans les écrans et les fenêtres intelligentes, et se présente également fréquemment dans les substances biologiques.

Malgré les efforts intenses réalisés au cours des dernières décennies, le mécanisme de propagation des structures chirales hiérarchiques, en particulier la relation causale entre les attributs microscopiques des blocs de construction moléculaires et les structures hélicoïdales macroscopiques qu’ils forment, n’a pas encore été pleinement élucidé. Ce défi est dû à la nature intrinsèquement faible des interactions chirales. Lorsqu’une torsion optimale entre deux particules voisines dans un arrangement cholestérique standard est recherchée, cet angle est souvent inférieur à 1 degré.

Source de l’article

Cet article de recherche est rédigé par Eric Grelet (Centre de Recherche Paul Pascal, Univ. Bordeaux, CNRS, France) et Maxime M. C. Tortora (Laboratoire de Biologie et Modélisation de la Cellule, INSERM 1293, Univ. Claude Bernard Lyon 1, ENS de Lyon, actuellement à l’Université de Californie du Sud, département de biologie computationnelle, États-Unis). L’article est publié dans le journal “Nature Materials” en 2024.

Méthodes de recherche

Dans cette étude, les auteurs ont utilisé des méthodes expérimentales et théoriques pour étudier les phases cholestériques formées par des virus filamenteux. En utilisant des particules en forme de bâtonnets classiques comme systèmes modèles, ils explorent le mécanisme de transmission de la chiralité lors de l’auto-assemblage. Les sujets étudiés sont deux phages bactériens, m13 et y21m, c’est-à-dire des virus à ADN simple brin en forme de bâtonnets longs, largement utilisés dans les systèmes modèles de génie génétique et de physique des états condensés mous.

Les méthodes de recherche incluent :

1. Caractérisation de la structure du virus: Utilisation de la diffraction des rayons X à haute résolution pour caractériser la structure tridimensionnelle des deux virus, stockées respectivement dans la Banque de Données de Protéines (PDB) sous les numéros 1IFI et 2C0W.
2. Établissement du modèle de transmission de la chiralité: Analyse basée sur un modèle électrostatique à description atomique, pour évaluer la transmission de la chiralité par le virus dans le fluide, en quantifiant son pas hélicoïdal (pitch) et son module élastique de torsion (K22).
3. Exploration du mécanisme de transmission par régulation de l’environnement ionique et modifications chimiques: Les auteurs régulent le pH et la force ionique de la solution virale, ainsi que la modification par polyéthylène glycol (PEG) de la surface viral, pour explorer les mécanismes de transmission de la chiralité sous différentes conditions.

Résultats de l’étude

1. Relation charge et interactions électrostatiques: Les virus m13 et y21m montrent différentes phases hélicoïdales de cristaux liquides dues à leurs motifs de charge hélicoïdale sur l’enveloppe virale - m13 est de chiralité gauche, y21m de chiralité droite. Lorsque la force ionique de la solution est augmentée, le pas hélicoïdal (∣p∣) des deux phases virales cholestériques augmente également, montrant l’impact significatif des interactions électrostatiques sur la structure des cristaux liquides chiraux.
2. Comportement du virus modifié par PEG: Lorsque les surfaces virales sont modifiées par PEG, le comportement de la phase de cristaux liquides n’est plus dépendant de la force ionique, mais est dirigé par l’élasticité de l’épine dorsale du virus. Le système m13-PEG montre une phase cholestérique de chiralité gauche au point isoélectrique (PIE), tandis que y21m-PEG ne présente pas de phase de cristaux liquides avec observation de propagation chirale.
3. Deux voies principales du mécanisme de transmission de la chiralité: L’étude montre que, pour le virus rigide y21m, la chiralité de la phase cholestérique est principalement due aux interactions électrostatiques locales, alors que pour le virus plus flexible m13, la propagation de la chiralité est obtenue principalement à travers des déformations hélicoïdales de longueurs d’onde longues (mode superhélicoïdal).

Conclusion et signification

L’étude démontre que la transmission de la chiralité dans les phases de cristaux liquides virales résulte de l’interaction conjointe des interactions électrostatiques et de l’élasticité de l’épine dorsale, différentes virus montrant des mécanismes de transmission de la chiralité distincts. Cela approfondit notre compréhension des mécanismes de transmission de la chiralité dans les phases de cristaux liquides et offre de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux chiraux avec des fonctions optiques, électriques ou biologiques spécifiques. L’étude fournit un cadre détaillé du niveau atomique au niveau macroscopique, aidant à révéler les processus et mécanismes de transfert de chiralité dans les structures de cristaux liquides.

Grâce à cette recherche, les scientifiques peuvent mieux comprendre et contrôler la propagation de la chiralité des molécules microscopiques aux structures macroscopiques, ce qui a une valeur d’application importante dans la nanotechnologie, la science des matériaux et les domaines biomédicaux. Les modèles quantitatifs et les résultats expérimentaux de l’étude fournissent également des données et des références importants pour les recherches futures similaires.

Points forts de l’étude

1. Révélation des principaux mécanismes de propagation de la chiralité dans les virus en phases de cristaux liquides.
2. Illustration de l’action conjointe des interactions électrostatiques et des déformations hélicoïdales de longueur d’onde longue.
3. Fourniture d’un cadre quantitatif du niveau atomique au niveau macroscopique.
4. Orientation pour la conception future de nouveaux matériaux chiraux.

Perspectives futures

Comprendre et contrôler la propagation de la chiralité dans les superstructures hélicoïdales permet non seulement de révéler divers processus et mécanismes d’auto-assemblage, mais offre également de nouvelles possibilités pour la conception de matériaux chiraux aux fonctions spécifiques. De futures recherches pourraient porter sur l’étude approfondie de systèmes variés de virus à cristaux liquides pour explorer leurs mécanismes de transmission de la chiralité, étendant ainsi les applications des résultats de cette étude.