Quand la nature amplifie la dissymétrie

Publié par Adrien le 14/06/2020 à 09:00
Source: CNRS INC
Certaines molécules existent en deux variantes symétriques, mais non superposables: les énantiomères. Malgré ce que l'on pourrait penser, ces deux versions ne sont pas présentes en quantités égales dans la nature, sans que l'on sache ni où ni quand ce déséquilibre est apparu dans l'histoire de la vie (La vie est le nom donné :).

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg) ont prouvé qu'avec des catalyseurs pourtant en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) quasiment égal, on pouvait favoriser grandement la formation d'un énantiomère au détriment de son image miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une...). Ce n'est pourtant pas le cas avec ce même catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et n'apparaît donc pas dans l'équation-bilan...) lorsqu'il ne contient qu'une variante symétrique. Ces travaux, publiés dans la revue Nature Catalysis, montrent donc que la dissymétrie peut s'amplifier uniquement en l'absence d'un déséquilibre fort dans les catalyseurs.


Exemple de catalyse à effet non linéaire hyperpositif. © Bellemin-Laponnaz.

La chimie du vivant n'est pas symétrique. Lorsque deux molécules sont l'image miroir l'une de l'autre mais, à l'instar de nos mains, ne se superposent pas, on parle de chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est...) et chaque composé est appelé l'énantiomère de l'autre. On pourrait penser que ces molécules existent et sont utilisées à parts égales dans la nature, mais, par exemple, les acides aminés sont tous des énantiomères gauches et les sucres des énantiomères droits. De nombreuses interrogations subsistent sur quand et comment la vie a fait ces choix au cours de l'évolution.

Pour tenter d'y répondre, certaines théories ont prédit la possibilité d'un effet non linéaire dit hyperpositif, c'est-à-dire où la cohabitation à parts quasi égales de deux catalyseurs sélectionne davantage un énantiomère que s'il n'y avait qu'un seul catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des...). Une équipe de l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg) a, pour la première fois, montré que ce cas de figure était effectivement expérimentalement observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre physique, ou plus...).

Les chercheurs ont pour cela étudié une réaction de réduction d'aldéhydes, avec l'aide de catalyseurs à base de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.). Elle n'a pas été choisie pour ses applications potentielles, mais en tant que bonne candidate pour prouver la possibilité d'une catalyse non linéaire hyperpositive. Dans ce système, le catalyseur est présent sous deux formes: une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) simple, le monomère, et deux de ces monomères attachés, le dimère. Chacune favorise un énantiomère différent.

Le monomère est un catalyseur plus actif que le dimère, pourtant composé de deux fois ce monomère, mais ces concurrents sont en équilibre l'un avec l'autre. Lorsque le catalyseur est presque racémique, c'est-à-dire si les proportions sont presque égales, l'équilibre favorise le monomère, qui est plus efficace que le dimère, ce qui provoque un effet hyperpositif. Les chercheurs vont continuer d'étudier le phénomène pour comprendre comment il se produit dans la nature.

Référence:
Y. Geiger, A. Maisse-François, T. Achard, S. Bellemin-Laponnaz.
Hyperpositive nonlinear effects in asymmetric catalysis. Nat Catal (2020) 3,422-426.
https://doi.org/10.1038/s41929-020-0441-1
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