Effets de l’étanchéité des nœuds au niveau moléculaire

Signification

Les nœuds et les enchevêtrements se produisent dans les protéines, l’ADN et les polymères synthétiques et sont utilisés pour former la base des nanomatériaux entrelacés. Comprendre comment la tension des enchevêtrements moléculaires affecte les propriétés est crucial pour la conception future de molécules et de matériaux noués, tissés et enchevêtrés. Cependant, bien qu’il existe de nombreuses études théoriques sur de tels systèmes, il existe très peu d’études expérimentales. Nous étudions ici l’influence de l’étanchéité des nœuds dans une gamme de propriétés physiques et chimiques pour trois nœuds noués dans des brins en boucle fermée de 20, 23 et 26 nm. Nous constatons que l’étanchéité des nœuds moléculaires affecte de manière significative la réactivité, la conformation et l’expression de la chiralité.

Résumé

Trois brins de 819 nœuds en boucle fermée de longueurs différentes (∼20, 23 et 26 nm) ont été utilisés pour évaluer expérimentalement les conséquences de l’étanchéité des nœuds au niveau moléculaire. Grâce à l’utilisation de la RMN 1H, de la spectroscopie ordonnée par diffusion (DOSY), du dichroïsme circulaire (CD), de la spectrométrie de masse à dissociation induite par collision (CID-MS) et des simulations de dynamique moléculaire (MD) sur les nœuds de différentes tailles, nous constatons que la structure, la dynamique et la réactivité des chaînes moléculaires sont considérablement affectées par l’étanchéité du nouage. La tension de l’enchevêtrement provoque des différences de conformation, améliore l’expression de la chiralité topologique, affaiblit les liaisons covalentes, inhibe les événements de décomplexation et modifie les propriétés d’absorption. Comprendre les effets du resserrement des nœuds à l’échelle nanométrique peut utilement éclairer la conception de matériaux moléculaires noués et enchevêtrés.

  • Noeuds moléculaires
  • chimie supramoléculaire
  • topologie chimique

Des noeuds se trouvent dans certaines protéines (1), de l’ADN linéaire et circulaire (2) et des polymères de longueur et de flexibilité suffisantes (3). Les enchevêtrements de brins affectent la taille moléculaire (4), la stabilité (5) et diverses propriétés mécaniques (6⇓-8), bien qu’une grande partie de la compréhension quant au comment et au pourquoi reste floue. À ce jour, l’influence de divers traits structurels, tels que le nombre de croisements de nœuds (9), la torsion (10), le rapport de croisement de l’épine dorsale (BCR) (11) et le rayon de courbure global (12), sur les propriétés a principalement été étudiée par des simulations (13⇓⇓ -16) plutôt que par des expériences (17, 18). L’étanchéité des nœuds (19⇓ -21) est une caractéristique particulièrement facile à apprécier, familière de notre expérience quotidienne dans le monde macroscopique, qui peut également avoir des effets significatifs au niveau moléculaire (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). On prévoit que les polymères longs présentent des régions nouées à la fois fréquentes et serrées (25). L’étanchéité du nouage est impliquée dans les variations de la thermostabilité des protéines enchevêtrées (26) et aurait des conséquences sur la résistance à la traction (27). Cependant, il est difficile d’évaluer les effets intrinsèques du nouage en comparant des structures avec des compositions chimiques assez différentes. Les nœuds moléculaires synthétiques monodispersés sont des modèles idéaux pour évaluer l’influence du serrage des nœuds sur les propriétés physiques et chimiques (17, 18). Nous rapportons ici des différences de propriétés déterminées expérimentalement dans un ensemble de trois molécules nouées qui ne diffèrent que par la longueur des régions flexibles (chaînes alkyles) qui séparent les sections plus rigides (composées de cycles aromatiques) du brin. En utilisant une stratégie de tressage précédemment utilisée pour assembler (28) un nœud de boucle 819 à 192 atomes extrêmement étroitement noué (1) (29), les chaînes terminées par des alcènes utilisées pour fermer la structure nouée ont été étendues sans altérer autrement le résultat de la synthèse du nœud (Fig. 1). Il en résulte un ensemble de trois nœuds moléculaires de 819 qui ne diffèrent que par la longueur des chaînes alkyles dans la boucle (1 est long de 192 atomes, 2 est long de 216 atomes et 3 est long de 240 atomes, une variation de 25% de la longueur des brins impliquant uniquement les régions flexibles). Nous avons sondé les propriétés des nœuds de différentes tailles par spectrométrie RMN 1H, spectrométrie de masse, spectroscopie UV et dichroïsme circulaire, et avons utilisé des études informatiques pour expliquer le rôle de l’étanchéité croissante du nouage dans la modification du comportement physique et chimique.

Pour évaluer l’effet de l’étanchéité des nœuds sur les forces de liaison covalente, des expériences de spectrométrie de masse en tandem (MS-MS) ont été menées sur le pic 2+ (Fig. 4 A, C et E) des nœuds 1-3 activés par dissociation induite par collision (CID). Cela a entraîné une multiplication des ions chargés avec une perte de masse compatible avec la rupture de la liaison covalente et le démêlage ultérieur du brin noué (Fig. 4 B, D et F). En augmentant l’énergie de collision normalisée par étapes de 1 eV jusqu’à ce que le clivage de la liaison se produise, les nœuds plus lâches (2 et 3) nécessitaient des énergies significativement plus élevées (35 et 55 eV, respectivement) pour se fragmenter que 1 (28 eV). Pour chaque nœud, la division se produit toujours au niveau de la liaison carbone–oxygène entre les unités bipyridine centrale et phényl–bipyridine, mais les nœuds ont montré deux types distincts de motif de fragmentation (type I, Fig. 4G et type II, Fig. 4H). Pour le nœud 1 le plus serré, la fragmentation (perte d’une molécule d’eau ; m/z = 1 681,75) est suivie de la perte d’une unité bipyridine centrale adjacente (m/z = 1 582,67; Fig. 4B, type I). En revanche, le nœud 3 le plus lâche nécessite un minimum de 55 eV pour se fragmenter et forme directement deux produits de décomposition contenant chacun la moitié du nœud (m/z = 2 008,36 et 1 810,45; Fig. 4F, type II). Les deux types de motif de fragmentation sont observés avec le noeud 2 à 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1 849,75 et 1 750,83 pour le type I et m/z = 1 840,75 et 1 642,83 pour le type II). Il est clair que l’étanchéité des nœuds affecte de manière significative la force de liaison covalente; plus le nœud est serré, plus certaines liaisons peuvent être facilement brisées. Les résultats expérimentaux sont cohérents avec les simulations qui suggèrent que le nouage serré force l’adoption de conformations avec des longueurs et des angles de liaison tendus.

Fig. 4.

Fragmentation de 819 nœuds 1-3 dans le cadre des expériences CID-MS. A) CID-MS du noeud 1. (B) MS-MS de 2+ (m/z = 1 690,75) à partir du noeud 1, seule la fragmentation de type I est observée. C) CID-MS du noeud 2. D) MS-MS de 2+ (m/z = 1859.00) à partir du noeud 2, on observe les deux types de fragmentations. E) CID-MS du noeud 3. (F) MS-MS de 2+ (m/z = 2 027,09) du noeud 3, seule la fragmentation de type II est observée. Aucun fragment d’ions correspondant à des macrocycles, qui pourraient provenir de liaisons moléculaires (par exemple, une liaison caténane ou de Salomon) lors de la fragmentation d’un anneau (17), n’a été observé sur une gamme d’énergies de collision, démontrant de plus que seuls les nœuds sont présents. (G et H) Deux voies de fragmentation différentes (type I, G; type II, H) pour les 819 nœuds correspondant aux résultats MS-MS indiqués en B, D et E; le clivage de la liaison est indiqué par une ligne ondulée rouge, les résidus perdus dans la première étape sont colorés en violet et ceux perdus dans la deuxième étape sont colorés en bleu.

L’analyse des indices de liaison de Wiberg, telle qu’implémentée dans la suite de programmes Gaussian09 (35), a été réalisée avec la fonction de méta-corrélation hybride Minnesota 2006 (M06-2X) (36) et l’ensemble de base de Pople avec des fonctions de polarisation, 6-31G(d), sur les structures énergétiques minimales globales de 1 et 3 doublement chargées pour calculer l’ordre de liaison de la liaison carbone–oxygène entre les unités centrales bipyridine et phényl–bipyridine (Ce–O–Cd, Fig. 1). Les calculs sur le nœud le plus serré, 1, montrent qu’une de ces liaisons carbone–oxygène est significativement plus faible que les autres et est plus susceptible de se rompre dans les expériences CID-MS (annexe SI, Fig. S38). Après clivage, l’atome d’oxygène terminal résultant peut réorganiser sa structure électronique pour permettre la perte d’une molécule d’eau (Fig. 4G). Dans le nœud le plus lâche, 3, les liaisons carbone–oxygène ont toutes des ordres de liaison similaires qui sont plus élevés que la liaison C–O faible en 1. Cela peut entraîner un clivage quasi simultané de deux liaisons C-O à énergie plus élevée (Annexe SI, Fig. S38), pour produire les deux moitiés de 3 observées expérimentalement (Fig. 4H).

L’effet de l’étanchéité des nœuds sur les propriétés spectrales de 1-3 a également été étudié. Les spectres UV-vis des noeuds 1 et 2 sont similaires, avec une légère diminution de l’absorption à λmax = 306 nm pour 2. Cependant, l’absorption du nœud le plus lâche, 3, diminue de manière significative et est associée à un décalage vers le rouge de 10 nm (annexe SI, Fig. S25). Les spectres simulés, générés à partir de calculs théoriques fonctionnels de densité dépendants du temps (37) au niveau de la théorie M06-2X/6-31G(d), montrent que les spectres électroniques des nœuds sont très sensibles aux deux angles de torsion, θ1 et θ2, dans les fractions phényl–bipyridine (Fig. Annexe 3D et SI, Fig. S35-S37). Le décalage vers le rouge observé du noeud 3 est dû à la variation de θ1 et θ2 car la flexibilité accrue du noeud lâche permet aux chromophores de peupler des conformations plus conjuguées, plus plates.

Un nœud 819 est intrinsèquement chiral de par sa topologie. Les énantiomères de 1-3 ont été isolés par chromatographie liquide chirale à haute performance (CLHP) et analysés par spectroscopie CD (Fig. 5 et Appendice SI, Fig. S23 et S24). Chaque paire d’énantiomères de nœuds donne des spectres CD de forme et de signe égaux mais opposés (38, 39). Lorsque les nœuds deviennent plus lâches de 1 à 3, le changement de l’environnement autour des chromophores entraîne un décalage vers le rouge du signal CD dans les spectres des molécules respectives. Les simulations et les expériences de RMN du 1H suggèrent que la bipyridine et les éthers phénoliques sont enfermés dans une conformation chirale dans le nœud le plus serré, 1, qui présente de fortes interactions π–π. Cependant, les nœuds les plus lâches ont une variété de conformations qui donnent en moyenne une réponse CD plus faible. Le décalage vers le rouge est une conséquence des conformations plus conjuguées et plates des chromophores dans les nœuds les plus lâches. La dynamique et la conformation des structures nouées sont clairement affectées de manière significative par l’étanchéité, l’expression de la chiralité étant accordable en resserrant ou en desserrant l’enchevêtrement.

Fig. 5.

Spectres CD de chaque énantiomère de 819 nœuds moléculaires 1, 2 et 3.

L’analyse des simulations de dynamique moléculaire suggère que les tendances de propriété observées pour 819 nœuds 1-3 ne sont pas une conséquence spécifique des dorsales particulières à base de cycles aromatiques de leurs structures. Les fluctuations atomiques mesurent la flexibilité des (grands) systèmes moléculaires. Ils sont reliés au facteur B de température (40) qui peut être mesuré expérimentalement et qui est généralement rapporté avec une structure protéique dans la Banque de données protéiques. Dans les simulations de dynamique moléculaire, la taille des fluctuations atomiques des cycles aromatiques, des chaînes aliphatiques et de l’ensemble du nœud s’est avérée fonction de l’étanchéité (tableau 1): plus le nœud est serré, plus les fluctuations sont petites. Les tendances sont globalement similaires pour chacun des trois éléments structuraux suivis (aromatiques, aliphatiques et la molécule entière).

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Tableau 1.

Fluctuations atomiques, Δ(Å2), interactions de fragments aromatiques, Efrag (kcal/mol) et énergie de déformation de la chaîne alkyle, Estrain (kcal/mol), des trois nœuds (1-3)

Les structures des instantanés de la dynamique moléculaire qui ont simulé avec succès les données expérimentales ont été utilisées pour étudier les interactions entre les fragments aromatiques et les énergies de déformation des chaînes alkyles dans les trois nœuds (tableau 1). Les calculs ont été effectués au niveau théorique M06-2X/6-31G(d). Pour les interactions entre les cycles aromatiques, la correction de l’erreur de superposition de base a été déterminée à l’aide de la méthode du contrepoids (41). Dans l’ordre d’étanchéité décroissante des nœuds (1 à 2 à 3), l’énergie d’interaction moyenne entre les fragments aromatiques diminue de -48,3 à -40,1 à -23,6 kcal/mol (Tableau 1). La variation reflète la plus grande dynamique des brins à mesure que les nœuds deviennent plus lâches. Dans la même série, les énergies de déformation moyennes des chaînes alkyles augmentent de 53,8, 160,0 et 260.1 kcal / mol, car plus de groupes méthylène sont ajoutés à chaque chaîne, forcés par la topologie du nœud à adopter des angles dièdres tendus et des affrontements stériques CH-CH. Les interactions d’empilement aromatique ne génèrent pas de conformations privilégiées dans les nœuds les plus flexibles, mais se forment plutôt pour atténuer la contrainte lorsque l’étanchéité du nouage force la molécule à devenir plus compacte. L’empilement des cycles aromatiques est une conséquence de l’étanchéité des nœuds plutôt que de la force motrice derrière sa conformation / structure. Les cycles aromatiques des brins de ligand Tris (2,2′-bipyridine) sont nécessaires à la synthèse des nœuds et, dans certains cas (RMN 1H, spectres CD), fournissent des sondes utiles pour la détection expérimentale du comportement. Si l’empilement π était l’interaction dominante qui déterminait leur conformation, les nœuds ne seraient pas les systèmes hautement dynamiques que les expériences et les simulations montrent être. Il semble donc probable que les tendances observées pour 1-3 ne soient pas directement liées à leur composition moléculaire particulière mais refléteront plus généralement des aspects du comportement concernant l’étanchéité des nœuds à l’échelle nanométrique.

Conclusions

Une série de 819 nœuds moléculaires qui ne diffèrent que par la longueur des chaînes alkyles qui relient des régions aromatiques rigides permet d’étudier l’influence de l’étanchéité des nœuds sur une gamme de propriétés physiques et chimiques, ce qui permet de rationaliser les observations expérimentales grâce à des simulations informatiques. L’étanchéité des nœuds moléculaires 819 affecte la réactivité (le taux de démétallation des ligands noués et les énergies de collision nécessaires à la rupture de la liaison), la conformation (régions rigides préférant être en dehors de la région d’enchevêtrement dans des structures plus lâches) et l’expression de la chiralité topologique (manifeste dans les spectres RMN CD et 1H). Ces résultats fournissent des preuves expérimentales des effets des nœuds de serrage au niveau moléculaire, ce qui devrait s’avérer utile pour comprendre le rôle du nouage dans les polymères enchevêtrés et dans la conception de futurs nanomatériaux noués et entrelacés (42⇓⇓-45).

Matériaux et méthodes

Synthèse.

Les noeuds moléculaires 2 et 3 ont été préparés en modifiant la stratégie de tressage précédemment utilisée (29) pour assembler le noeud 1 (Fig. 1). Soumettre chaque noeud métallisé ((PF6) 7Cl, (PF6) 7Cl ou (PF6) 7Cl) à un 1:Une solution 1 MeCN/NaOHaq (1 M) à 80 °C, suivie d’une chromatographie d’exclusion de taille, a permis d’obtenir les noeuds démétallés 1-3 correspondants, caractérisés par RMN et spectrométrie de masse. Les énantiomères de 1-3 ont été isolés par CLHP chirale et analysés par spectroscopie CD.

Simulations de Dynamique Moléculaire.

Des simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées avec la suite de programmes AMBER 12.0. Les nœuds ont été paramétrés à l’aide du champ de force AMBER général et de la procédure standard de potentiel électrostatique restreint effectuée pour attribuer des charges aux atomes par Antichambre. La structure cristallographique du noeud métallisé 8+ a été utilisée comme structure de départ pour 1 et comme gabarit pour 2 et 3.

Remerciements

Nous remercions le Plan China 1000 Talents, l’Université Normale de Chine Orientale, le Conseil de Recherche en Ingénierie et Sciences Physiques (EP / P027067 / 1) et le Conseil Européen de la Recherche, la Subvention avancée 339019 pour le financement, et l’Université de Manchester pour une Bourse de doctorat du Président (à L.Z.). D.A.L. est un professeur « Topnotch Talent » de China 1000 Talents et professeur de recherche à la Royal Society.

Notes de Bas de Page

  • ↵ 1à qui la correspondance peut être adressée. E-mail: francesco.zerbetto {at}unibo.it ou david.leigh {au}manchester.ac.uk.
  • Contributions des auteurs: L.Z., F.Z. et D.A.L. ont conçu des recherches; L.Z., J.-F.L., A.A., M.C. et F.Z. ont effectué des recherches; A.A., M.C. et F.Z. ont analysé les données; et L.Z., J.-F.L., A.A., M.C., F.Z. et D.A.L. ont écrit l’article.

  • Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.

  • Cet article est une soumission directe PNAS.

  • Cet article contient des informations complémentaires en ligne à l’adresse suivante : www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1815570116/-/DCSupplemental .

Publié sous licence PNAS.