Design of networks based on responsive interlocked molecular architectures

Abstract

La nature représente une source d'inspiration inépuisable pour les scientifiques. Depuis de nombreuses années, les chimistes se sont attaqués à la synthèse totale de produits naturels de plus en plus complexes. Ces efforts ont conduit non seulement à la préparation d’analogues artificiels possédant des propriétés inédites, mais également à la découverte de nouvelles réactions.Bien que de nombreuses générations de chimistes aient été inspirées par la structure des produits naturels, l’imitation des processus utilisés par la nature pour la synthèse des composés organiques a reçu beaucoup moins d'attention. Afin de préparer les molécules essentielles à leur survie, les systèmes vivants utilisent des réseaux moléculaires hautement sophistiqués, constitués de composants interconnectés comme l'ADN, l'ARN, les protéines et les petites molécules. Ces réseaux moléculaires fabriquent des produits naturels extrêmement complexes en contrôlant la formation et la rupture de liaisons chimiques de manière très efficace. Au cours de ces processus, les systèmes vivants utilisent souvent des machines moléculaires fonctionnant de manière processive. Par exemple, des machines moléculaires naturelles telles que la polycétide synthase, l'ADN polymérase ou le ribosome sont intégrées dans des réseaux biochimiques conçus pour la construction itérative de macromolécules naturelles tels que les biopolymères. De plus, ces processus de synthèse sont principalement régulés par des stimuli externes (ATP, pH, enzymes…) qui permettent de contrôler rigoureusement le processus de synthèse.La conception de réseaux moléculaires artificiels, pouvant rivaliser avec les processus naturels de synthèse, pourrait apporter un nouveau paradigme en chimie organique. Ainsi, l'objectif de ces travaux de recherche est de développer des réseaux moléculaires bio-inspirés et programmés pour la synthèse itérative de molécules organiques. Dans ce projet de recherche fondamentale, nous proposons d’étudier un réseau moléculaire polyvalent dédié à la préparation d'une large gamme de composés organiques. Ce dernier sera constitué (1) d’un amplificateur catalytique à base de caténane et (2) d’une machine moléculaire artificielle à base de rotaxane imitant la processivité des polymérases naturelles.Nature represents an inexhaustible source of inspiration for scientists. For many years, chemists have tackled the total synthesis of increasingly complex natural products made by living organisms. These efforts led not only to novel unnatural analogues with interesting properties for various applications, but also to the discovery of novel chemical reactions.While many generations of chemists have been inspired by the structure of natural products, the mimic of the processes used by nature for the synthesis of organic compounds has received far less attention. In order to prepare molecules essential to their survival, living systems employ highly sophisticated networks of interconnected components like DNA, RNA, proteins and small molecules. Such molecular networks allow nature to create extremely complex natural products by controlling chemical bonds forming and breaking in a very efficient fashion. Along these processes, living systems often utilize molecular machines operating in a processive manner. For instance, natural molecular machines such as polyketide synthase, DNA polymerase or the ribosome are integrated within biochemical networks for the stepwise catalytic construction of biomolecules, including biopolymers. Furthermore, these synthetic processes are mainly regulated by external stimuli (ATP, pH, enzymes…) enabling the preparation of natural products in a stringently controlled way. Thus, given the remarkable efficacy of biological systems for the synthesis of complex compounds, the design of artificial chemical networks that could rival with synthetic processes found in nature may brought a new paradigm in organic chemistry. Within this framework, the aim of this research project is to develop bio-inspired molecular networks programmed for the iterative synthesis of organic molecules. In this basic research project, we hypothesized that the combination of (1) a catenane-based catalytic amplifier and (2) an artificial rotaxane-based molecular machine mimicking the processive mechanism of natural polymerases, will enable the “one pot”, stepwise and versatile synthesis of a wide range of different organic compounds