Chimie des systèmes et chimie combinatoire dynamique

Le développement de systèmes chimiques stimulables, adaptatifs et multifonctionnels est reconnu comme étant d’une importance cruciale pour concevoir la future génération de matériaux dits « intelligents ». Nous pouvons penser que de tels systèmes artificiels devraient combiner plusieurs caractéristiques qui sont présentes et inspirées des systèmes vivants. En particulier, ces nouveaux matériaux devraient combiner trois propriétés clés des systèmes vivants qui sont les capacités à :

i) métaboliser,
ii) muter,
iii) s’auto-répliquer.

Une partie de nos efforts se dirige vers la mise au point de ces matériaux fonctionnels avancés. En particulier, nous nous focalisons sur des systèmes chimiques moléculaires et supramoléculaires comprenant des mélanges de molécules interagissant de manière réversible et couplés au sein de réseaux en équilibre thermodynamique et qui sont connus sous le nom de « bibliothèques combinatoires dynamiques ».  Nous essayons d’expliquer comment la superposition de réseaux combinatoires à différentes échelles d’organisation structurelle peut fournir une dynamique hiérarchique précieuse pour produire des systèmes complexes fonctionnels. En particulier, un grand nombre de nos résultats souligne l’intérêt de ces bibliothèques pour la création de matériaux stimulables et montre comment leurs propriétés fonctionnelles peuvent être modulées par divers stimuli chimiques ou physiques. Nous avons également démontré que certains systèmes combinatoires dynamiques peuvent être couplés à des boucles de rétroaction cinétiques afin de produire des voies auto-réplicatives qui amplifient un composé sélectionné à partir des bibliothèques à l’équilibre.

Ces systèmes sont intéressants pour aller au delà de la génération actuelle de matériaux stimulables car leurs topologies en réseaux agissent comme des algorithmes complexes pour traiter l’information. Nous proposons une vue d’ensemble sur la manière dont pourrait être défini de tels matériaux autonomes, c’est-à-dire auto-construits. De tels systèmes devraient être capable de s’auto-assembler parmi plusieurs combinaisons moléculaires possibles afin de répondre aux informations externes, et potentiellement de s’auto-répliquer afin d’amplifier leur réponse fonctionnelle. Une réponse intéressante possible pourrait être d’amplifier l’auto-assemblage du système de manière à transférer à son tour l’information initiale. Loin de l’équilibre, de tels processus synergiques devraient conduire à des systèmes évolutifs, c’est-à-dire qui soient capables d’augmenter leur niveau d’information, et qui deviennent plus complexes parce qu’ils permettent simplement de diminuer le potentiel d’énergie qui les entoure via une auto-organisation interne.

Pour une vue d’ensemble sur l’importance de la chimie et des réseaux chimiques à l’origine des systèmes complexes, veuillez vous référer au récent rapport du colloque NASA-NSF.