Biomachines
Biomachines

10.000 nanomachines différentes sont en fonction permanente  à l’intérieur du corps humain.  Chacune est une machine construite conformément aux règles des interactions interatomiques à l’échelle du nanomètre, chaque atome; avec une fine précision, est placé et relié à ses voisins. Le corps humain est indiscutablement l’enceinte des mécanismes biologiques les plus complexes connus dans l’univers, la majeure partie des interactions se produit à l’échelle du nano. Ces nanomachines fonctionnent en concert pour orchestrer de nombreux processus vitaux tels que  la croissance, le métabolisme, la reproduction.

De façon très remarquable, plusieurs de ces nanomachines exécuteront toujours leurs fonctions de façon automatique, après qu’elles soient isolées et épurées, à condition que l’environnement ne soit pas trop dur. Elles ne doivent pas être séquestrées à l’intérieur des cellules à l’état pur. Chacune d’elles constitue une machine moléculaire autosuffisante. Les enzymes digestives naturelles comme la pepsine et le lysozyme sont si dures qu’elles puissent être ajoutées au détergent de blanchisserie pour aider à dissocier les taches partielles. Des amylases sont employées sur une échelle industrielle pour convertir l’amidon pulvérulent en sirop de maïs. Le champ entier du génie génétique et de la biotechnologie est rendu possible par une collection d’ADN et de  nanomachines de manipulation, maintenant disponibles commercialement. Généralement les bionanomachines naturelles sont remarquablement robustes. Ce chapitre explore les bionanomachines faits par les cellules vivantes. Elles sont différentes des machines en notre monde.

Les Bionanomachines sont également choisies par leurs tâches très spécifiques dans un environnement donné, elles sont, en outre, sujets de forces peu familières exercées par cet environnement. Il est tout à fait impératif de maintenir ces notions de différence au cœur avant d’entamer l’étude en biotechnologie.

Un monde étrange

Les biomolécules naturelles ont des formes souvent incroyables, à la différence des conceptions rangées en grille de pain et en tracteurs. Elles effectuent leurs fonctions dans un environnement étrange, où les mouvements thermiques, nerveux influencent constamment en poussant et en attirant, sur leurs constituants. Elles sont liées par un ensemble complexe de liaisons et de forces extérieures. Les bionanomachines sont presque immunisées contre les lois de la pesanteur et de l’inertie qui dominent sur nos machines.

La gravité et l’inertie sont négligeables à l’échelle du nano

Les propriétés physiques telles que le frottement, la résistance à la traction, l’adhérence, et la résistance à la désintégration sont comparables en termes de grandeur aux forces exercées par l’inertie et la pesanteur. Cet équilibre change, cependant, quand nous nous déplaçons à de plus grands ou plus petits objets. Pendant que nous nous déplaçons à de plus grands objets, les lois de graduation décalent l’équilibre. Les augmentations de masse avec le cube de la taille d’un objet, et les propriétés telles que la force et le frottement augmentent linéairement avec le carré de la taille.

Les lois de graduation vont également dans le sens opposé, les grains de sables micromètre-classées, ou encore les cellules, agissent les uns sur les autres différemment des objets macroscopiques. En fait, si on considère une cellule bactérienne qui nage dans un volume d’eau par sa ciliature, elle se déplace lentement, et s’arrête à un moment donné comme fait le sous-marin dans l’océan. Cependant si on considère les forces d’inertie relatives à la viscosité de l’eau environnante, la cellule s’arrêterait en moins du diamètre d’un atome!

La gravité est négligée à l’échelle du nano, ainsi, les molécules dissociées dans l’eau ou propagées dans l’air sont en mouvement continu, les forces d’attraction intermoléculaires sont plus importantes que la force de la pesanteur. Les mouches tirent profit de ces forces et peuvent ramper vers le haut d’un mur, du même les gouttelettes d’eau peuvent rester adhérée au plafond par effet de ces forces.

Les nanomachines peuvent montrer la granularité des atomes

Les objets à l’échelle nanométrique, sont construits par des combinaisons discrètes entre les atomes, qui agissent les uns sur les autres par des interactions atome-atome spécifiques. Elles doivent se composer d’un nombre déterminé d’atomes (moteur rotatoire à l’échelle du nanomètre). Des moteurs analogues existant déjà auparavant, comme l’adénosine triphosphate-synthétase, le moteur flagellaire bactérien

En raison de la granularité atomique les représentations continues typiques ne sont pas employées en technologie, car des propriétés physiques; telles que la viscosité et le frottement, ne sont pas définis pour les groupements atomiques discrets. Au lieu de cela différentes propriétés atomiques substitutives sont employées, La mécanique quantique en effet, fournit une compréhension profonde des propriétés atomiques, mais, heureusement, la plus part des  propriétés des atomes peut être comprise qualitativement par utilisation des règles simples: 1. Les liaisons covalentes qui lient les atomes, et qui définissent la géométrie moléculaire, 2. Répulsion stérique entre les atomes non reliés, interactions électrostatiques, liaisons hydrogènes qui permettent la compréhension de la plus part des aspects, structures, et interactions moléculaires.

Généralement, les biomolécules sont considérées en tant que chaines articulées d’atomes qui agissent les unes sur les autres de manière précise.

Le flux thermique est une force significative à l’échelle du nano

La nanotechnologie moléculaire cherche à créer l’environnement de « la phase machine » avec différentes nanomachines organisées, afin de former des objets à l’échelle micro ou macroscopique. En revanche  l’ionanomachinerie naturelle prend une approche différente, car nécessite l’introduction de la nanomachinerie à l’intérieur de la cellule. Les diverses pièces agissent les unes sur les autres par des mouvements provoqués et par diffusion.

Les biomachines fonctionnent dans un milieu chaotique, elles sont continuellement bombardées par des molécules d’eau. Elles vont se disperser mais toujours  tenues en place. Les biomachines peuvent établir des interactions spécifiques avec d’autres biomachines, en s’adaptant ensemble à l’état du repos, et en se séparant en cas de fonctionnement. Si deux molécules adaptées étroitement ont une bonne complémentarité de groupements chimiques, elles vont agir les unes sur les autres durant de longues périodes, en revanche si les interactions sont faibles, elles vont établir des interactions provisoires avant de passer aux suivantes.

La conception soigneuse des bionanomachines, et la régulation rigoureuse des forces de leurs interactions, leur confère le caractère de pouvoir former des poutres moléculaires stables qui peuvent demeurer des années ou de construire des biodétecteurs capables de détecter les traces moléculaires.

Les bionanomachines nécessitent l’eau comme environnement

La forme et le fonctionnement des bionanomolécules sont dominés par deux choses: la chimie de leurs atomes composants et les propriétés irrégulières des molécules d’eau qui les entourent. L’énergétique de ces interactions est différente à celle qu’entend-on dans le monde macroscopique, les molécules d’eau s’interagissent fortement entre elles par des liaisons hydrogènes. Elles ne se séparent pas et n’interagissent pas avec d’autres molécules, à moins que ces dernières aient quelque chose à offrir.

Les bionanomolécules qui possèdent une valeur importante en termes de richesse électronique, ainsi qu’en azote (N) et en oxygène (O), interagissent de manière favorable avec les molécules de l’eau, elles possèdent donc (ces régions) une bonne solubilité dan l’eau.

Le caractère hydrophobe des biomolécules influence fortement sur leur fonctionnement ainsi que sur leur forme. La géométrie de la chaine moléculaire seule, crée un grand nombre de conformations, on trouverait ainsi rarement des structures simples. Une fois placées dans l’eau, les biomolécules répondent rapidement à l’environnement, en se pliant en une conformation, de manière à ce que les régions hydrophobes soient empilées vers l’intérieur, la surface étant décorée par les molécules H2O-groupes hydrophiles. Pour les protéines: la chaine est le plus souvent forcée dans un globule compact, pour l’ADN les paires de bases sont séquestrées sans altération à l’intérieur, laissant les phosphates fortement chargés sur la surface, pour les lipides, les groupements hydrophobes (dans les membranes cellulaires) sont dirigés vars l’intérieur des lamelles ainsi que les groupements hydrophiles sont dirigés vers l’extérieur. Si construits soigneusement, on obtiendrait une structure unique avec une conformation appropriée afin d’exécuter sa tâche correctement.

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