JOURNÉES SYSTÈMES COMPLEXES
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Vers la Matière Complexe : Quelques aspects d’une Chimie des Systèmes Complexes Jean-Marie Lehn JOURNÉES SYSTÈMES COMPLEXES Université de Strasbourg Strasbourg 19-20 Janvier 2012 PHYSIQUE
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Vers la Matière Complexe : Quelques aspects d’une
Chimie des Systèmes Complexes
Jean-Marie Lehn
JOURNÉES SYSTÈMES COMPLEXES Université de Strasbourg Strasbourg 19-20 Janvier 2012
PHYSIQUE
- Comment la matière est-elle devenue complexe dans l’histoire de l’univers jusqu’à l’évolution du monde biologique et de la pensée ? - Quelles formes plus élevées de la matière complexe reste-t-il à créer ?
PHYSIQUE
CHIMIE
BIOLOGIE
?
QUESTION PRIMORDIALE LA COMMENT LA MATIERE DEVIENT-ELLE COMPLEXE
De la particule élémentaire à l’organisme pensant
Les lois de l’Univers
Les règles de La Vie
La CHIMIE établit le pont
LE CHEMIN VERS LA COMPLEXITÉ
L’ AUTO-ORGANISATION
La réponse à la question
comme Impératif Cosmique
MATIÈRE DIVISÉE – CONDENSÉE – ORGANISÉE VIVANTE – PENSANTE !
AUTO-ORGANISATION
De l’ UNIVERS De la MATIÈRE MOLÉCULAIRE
Par les FORCES
GRAVITATIONNELLES
Par les FORCES
ÉLECTROMAGNÉTIQUES
STRUCTURE COSMIQUE MATIÈRE ORGANISÉE, VIVANTE, PENSANTE
AUTO-ORGANISATION de la MATIÈRE MOLÉCULAIRE NON-VIVANTE
Les forces électromagnétiques opèrent une sélection sur la diversité structurale
conduisant à une complexification progressive de la matière
du monde non-vivant au monde vivant sous la pression de l’information.
ÉVOLUTION CHIMIQUE PRÉBIOTIQUE
Évolution chimique sous l’action des forces intra- et intermoléculaires
mettant en œuvre l’information moléculaire.
CHIMIE PRÉ-BIOTIQUE
GÉNÉRALISATION DE L’ÉVOLUTION DARWINIENNE
ÉMERGENCE d’une ENTITÉ COMPLEXE SPÉCIFIQUE
AUTO-ORGANISATION générant et opérant sur une
DIVERSITÉ ALÉATOIRE
Structuration de la matière atomique et moléculaire
par les forces électromagnétiques opérant sur des
combinaisons structurales aléatoires
Les forces électromagnétiques effectuent une sélection sur la diversité structurale
conduisant à une complexification progressive de la matière
du monde non-vivant au monde vivant sous la pression de l’information.
(résultant de l’ensemble des interactions internes et avec l’environnement)
______________________
H2O
Une molécule d’eau unique de gèle pas ne bout pas n’a pas d’indice de réfraction
Un verre d’eau peut geler peut boullir possède un indice de réfraction
ÉMERGENCE de Nouvelles Propriétés lors du passage Du Niveau Moléculaire au Niveau Supramoléculaire
NIVEAUX de COMPLEXITÉ - ÉMERGENCE
Complexité (Multiplicité) (Interaction) (Intégration)
A chaque niveau de complexité croissante
de nouvelles propriétés émergent
qui n’existent pas au(x) niveau(x) inférieur(s) qui sont déductibles de mais non réductibles à celles du(des
niveau(x) inférieur(s)
∞ M.I2 ∞C
La CHIMIE
SCIENCE de la
STRUCTURE
et de la
TRANSFORMATION
de la MATIÈRE NON-VIVANTE
et VIVANTE
De l’ATOME à la MOLÉCULE
La CHIMIE MOLÉCULAIRE La Chimie de la Liaison Covalente
Maîtrise de l’élaboration de la matière moléculaire
CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
DE LA CHIMIE MOLÉCULAIRE
Mise en œuvre des interactions entre molécules CHIMIE PAR-DELÀ LA MOLÉCULE
Á LA
La Chimie de la Liaison Non-covalente
CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
CHIMIE PAR DELÀ LA MOLÉCULE
CHIMIE des INTERACTION MOLÉCULAIRES et de la LIAISON INTERMOLÉCULAIRE
CHIMIE des SYSTÈMES basés sur la CHIMIE des ESPÈCES et des INTERACTIONS
RECONNAISSANCE, RÉACTIVITÉ et TRANSPORT (CATALYSE)
Requiert des INTERACTIONS pour LIER
de l’ INFORMATION pour SÉLECTIONNER
géométrique
interactionelle COMPLÉMENTARITÉ
“SCHLOSS und SCHLÜSSEL” SERRURE et CLÉ
Emil FISCHER 1894
PRÉORGANISATION
RECONNAISSANCE MOLÉCULAIRE
De la Complexation sélective de cations à la notion de
O N N
O
N H H
O P O
O
O P O O O
O N N
O
O
O P O
O
O
O N O P O
O
O
N N
N O
N H H
H O
O P O H
O
O
N C C N
C N C
N C N
H H
H H O
La DOUBLE HÉLICE
PROGRAMME GÉNÉTIQUE écrit avec QUATRE LETTRES MOLÉCULAIRES
des ACIDES NUCLÉIQUES
A
G
T
C
H
par FORMATION de PAIRES de NUCLÉOBASES avec
DEUX
TROIS
LIAISONS HYDROGÈNE entre SITES COMPLÉMENTAIRES
LECTURE DU PROGRAMME GÉNÉTIQUE
ADÉNINE URACILE / THYMINE
GUANINE CYTOSINE
RECONNAISSANCE MOLÉCULAIRE par
une SCIENCE de l’INFORMATION
STOCKAGE MOLÉCULAIRE TRAITEMENT SUPRAMOLÉCULAIRE
SCIENCE de la MATIÈRE INFORMÉE
de l’INFORMATION
La CHIMIE :
L’ AUTO-ORGANISATION
Génération d’architectures supramoléculaires spontanée mais contrôlée par l’information moléculaire
mise en œuvre dans la reconnaissance moléculaire
Par delà la Pré-organisation
CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
AUTO-ASSEMBLAGE du VIRUS de la MOSAÏQUE du TABAC
à partir de 2130 sous-unités protéiques + 1 molécule d’ARN viral
SYSTÈMES CHIMIQUES PROGRAMMÉS
Le PROGRAMME est MOLÉCULAIRE
Sa MISE en OEUVRE est SUPRAMOLÉCULAIRE
L‘INFORMATION est stockée dans les COMPOSANTS
Son TRAITEMENT s’effectue via un ensemble d’interactions et suivant un ALGORITHME de RECONNAISSANCE MOLÉCULAIRE
Étapes d'opération : Reconnaissance Croissance Terminaison
AUTO-ORGANISATION
AUTO-ORGANISATION
par DESSEIN
INFORMATION PROGRAMMATION
par DESSEIN
INFORMATION PROGRAMMATION
DIVERSITÉ DYNAMIQUE
avec SÉLECTION
ADAPTATION CHIMIE ADAPTATIVE
La CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE s’ouvre sur une
CHIMIE CONSTITUTIONNELLE DYNAMIQUE capable de modifier la CONSTITUTION de ses objets par échange de composants du fait de la RÉVERSIBILITÉ des connections entre composants
permettant une ADAPTATION par VARIATION CONSTITUTIONELLE
recherche de SUBSTANCES BIOLOGIQUEMENT ACTIVES auto-organisation de NANOSTRUCTURES DYNAMIQUES développement de MATÉRIAUX DYNAMIQUES
Composants
Génération de Diversité
BIBLIOTHÈQUE COMBINATOIRE DYNAMIQUE
Constituants
Sélection par le récepteur/serrure du constituant/clé optimal parmi tous les constituants/combinaisons/clés possibles formant la bibliothèque dynamique
EXPRESSION SÉLECTION d’un CONSTITUANT
Sélection par le Récepteur du constituant le mieux lié
Clé/Serrure
Ensemble de constituants en interconversion
Sélection Dynamique par Reconnaissance Moléculaire
Fragments initiaux
Recherche Dynamique de SUBSTANCES à ACTIVITÉ BIOLOGIQUE
La Serrure assemble Sa Clé
N N
N
H
N
E - i s o m e r
N N
N
H
R
Constitution
Component Exchange
TRIPLE DYNAMIC PROCESSES in Pyridyl- and Acyl-Hydrazones
Configuration
N
N N
H N Z - i s o m e r
Thermo Photo Isomerization
LONG TERM SHORT TERM LOCK-IN
INFORMATION STORAGE
N
N N
H
N
Coordination
Metal Ion Binding
N
N N H
O
Photoisomerization Exchange
Coordination
R
Configuration Constitution
N
N N
H
N
Coordination
Photoisomerization Exchange Configuration Constitution
in a new chemical entity in a configuration state in a coordination state
RÉSEAUX CONSTITUTIONNELS DYNAMIQUES
Réseaux de CONSTITUANTS en INTERCONVERSION DYNAMIQUE connectés soit par la structure (moléculaire et supramoléculaire) ou par transformation (ensembles de réactions ou d’interactions connectées
Connectivité AGONISTE
Connectivité ANTAGONISTE
Système de quatre constituants AB, AB’, A’B, A’B’ formés par Recombinaison de quatre Composants A,A’, B, B’ deux à deux A et A’ avec B et B’
Vers les SYSTÈMES COMPLEXES
MODULÉS PHYSIQUEMENT ou CHIMIQUEMENT
AB
A’B’
AB’
A’B
SÉLECTION imposée par un STIMULUS ou un EFFECTEUR
AMPLIFICATION des AGONISTES : À LA FOIS AB ET A’B’ Utiliser l’Amplification de AB pour Amplifier A’B’ ( propriétés spécifiques)
AB
A’B’
AB’
A’B
Distribution Forcée E-AB
A’B’
AB’
A’B
ADAPTATION
AUTO-ORGANISATION
SÉLECTION imposée par l’ EFFECTEUR E
SÉLECTION sous la PRESSION de l’AUTO-ORGANISATION Signification pour l’ÉVOLUTION PRÉBIOTIQUE de la MATIÈRE
Amplification de AB (« fittest ») impose l’amplification de A’B’ (« unfittest »)
Distribution Statistique
AGONISTE ANTAGONISTE Connectivité
Etat Non-Organisé Etat Organisé
RÉSEAUX CONSTITUTIONNELS DYNAMIQUES
RÉSEAUX ADAPTATIFS
Up-regulation of Pb.1 and Zn.2
Up-regulation of Zn.1 and Pb.2
Effector Y
Weighted Dynamic Network
Pb.1
Zn.2
Zn.1.N2C3
Pb.2
Zn.1 Pb.1
Zn.2 Pb.2
Effector X
Zn.1
Zn.2 Pb.2
Pb.1.N2O
GENERATION of an OPTICAL SIGNAL by AGONIST AMPLIFICATION
Pb.2.G
NO Signal
STRONG Signal
44%
6% 44%
6%
(50%) (50%) 50%
50% 6%
(6%)
(6%) (44%) (44%) 44%
44%
6%
G PYRENE
Adaptation optimale Unicité Finalité thermodynamique : accession à l’état optimal, correspond à l’état thermodynamiquement le plus stable Adaptation aléatoire Multiplicité / diversité états « cinétiques », thermodynamiquement métastables, correspondant à une adaptation suffisante mais non optimale, atteints par variations aléatoires, représentant des minima secondaires dans l’hypersurface adaptative adaptation/structure (constitution) . NB : dans les deux cas, il peut y avoir plusieurs états accessibles de stabilité comparable, conduisant à une répartition/distribution entre ces états .
ADAPTATION
ADAPTATION par VARIATION CONSTITUTIONNELLE DYNAMIQUE avec SÉLECTION des COMPOSANTS
environnement / effets de milieu changement de phase stimulus physique effecteur chimique changement morphologique / commutation
en réponse à
SYSTEMES CHIMIQUES ADAPTATIFS TECHNOLOGIES ADAPTATIVES
CHIMIE MOLÉCULAIRE
CHIMIE SUPRAMOLÉCULAIRE
CHIMIE DYNAMIQUE CONSTITUTIONNELLE
CHIMIE ADAPTATIVE
AUTO-ORGANISATION
CONCEPTION SÉLECTION
GÉNÉRATION de DIVERSITÉ
ADAPTATIVE ÉVOLUTIVE
DARWINIENNE !
Vers une CHIMIE
DYNAMIQUE
Chimie des Systèmes Complexes vers la chimie de demain
LabEx Lauréat de
l’Université de Strasbourg
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ChimieSystèmes
Complexes
des
Initiative d’Excellence
IdEx 5 EquipEx
1 SATT
8 LabEx
1 Nano- biotech
1 IHU
1 Bioinfor- matique
A coherent strategy: first results
4 Infrastruc- tures
LabEx Chimie des Systèmes Complexes
Le Projet Une nouvelle approche de la Chimie
– But: Concevoir et développer des architectures et systèmes moléculaires et
supramoléculaires - informés, programmés et mis en réseaux, - capables de s’édifier par auto-organisation, - d’exprimer une propriété ou d’effectuer une ou plusieurs tâches
spécifiques couplées
– Impacts: Nouveaux procédés chimiques (auto)régulés Matériaux intelligents Technologies de l’information Nouvelles approches thérapeutiques, etc.
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34
Les 16 équipes du LabEx : Directeurs et Dénominations
Titre Prénom Nom LaboratoireProf. Burkhard BECHINGER Résonance magnétique et biophysique des membranesDr. Alberto BIANCO Nanomatériaux à base de carbone et vectorisationDr. Pierre BRAUNSTEIN Chimie de coordinationDr. Marco CECCHINI Ingénierie des Fonctions MoléculairesProf. Nicolas GIUSEPPONE Synthèse et Auto-assemblage Moléculaires et SupramoléculairesProf. Petra HELLWIG Spectroscopie vibrationnelle et électrochimie de biomoléculesProf. Mir Wais HOSSEINI Chimie de Coordination OrganiqueProf. Jean-Marie LEHN Chimie SupramoléculaireDr. Jean-François LUTZ Chimie Macromoléculaire de PrécisionDr. Michel PFEFFER Synthèses métallo-induitesProf. Vincent ROBERT Chimie QuantiqueProf. Michel ROHMER Chimie et biochimie des microorganismesProf. Paolo SAMORI NanochimieProf. Jean-Pierre SAUVAGE Chimie Organo-MinéraleProf. Nicolas WINSSINGER Chimie Organique et BioorganiqueProf. Georges WIPFF Modélisation et simulations moléculaires
Thématiques développées au sein du LabEx
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Thématiques développées Applications
Information transfer over chemical networks Design of smart, responsive, and adaptive
(bio)materials
Programming polymer folding by sequence substituents
Impact in biomedical and pharmaceutical
industries as well as traditional chemical
industries.
Translating instruction into function through hybridization Probing the recognition events between HIV and
dendritic cells which promote HIV infection
Molecular motion and molecular motors
Development of chemical systems capable of
performing controlled and programmed
movements
From molecules to organized solids Optics or magnetism, separation, storage,
catalysis
From molecular systems to device New solutions to nanoscale multifunctional
organic based logic applications
Les Chaires
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Chaires Applications
v Chair of chemistry of complex systems
Accomplishing a radical shift from man-made
entities to self-made entities, i.e. from fabrication
to self-fabrication
v Chair of catalysis and synthetic methodology
Development of new reactivities through
organometallic catalysis and development of
catalyst based on supramolecular interaction
v Chair of the supramolecular chemistry – biology
interface
Achievieving new biomedical functions to provide
controlled delivery, selective targeting, imaging,
and direction control
v Chair of synthetic biological systems/ adaptive,
evolutive chemistry
Development of systems capable of evolving
through chemically-based Darwinian-type selection
v Suivant les financements une 5ème chaire pourra
être créée
– Appels à projets annuels • Projets sélectionnés par un conseil scientifique international
– Recrutement de 4 à 5 chercheurs de renommée internationale • Pour renforcer et complémenter les forces présentes
– Inciter les collaborations avec des équipes internationales de haut niveau • Favoriser les collaborations avec les Institutions du Rhin Supérieur
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Fonctionnement du LabEx
Type de Budget pour 10 ans
26M€
ü Doctorants et post-doctorants 9M€ ü Chaires de recherche 7M€ ü Coûts de fonctionnement 4M€ ü Equipement 3M€ ü Brevets 3M€
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Moyens Financiers
Investissements d’avenir du gouvernement 19 M€ obtenus
Compléter les financements par: Des partenariats avec les entreprises: – Sous forme de mécénat
• Exemple: AXA soutient la chaire en chimie supramoléculaire à hauteur de 2,25 M€
– Sous forme de valorisation: développer des contrats de recherche
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AUTO-ORGANISATION
Le COMMENT contient/explique le POURQUOI
Si nous savons COMMENT cela s’est passé, nous pouvons comprendre POURQUOI cela s’est passé .
LA MATIÈRE DEVIENT-ELLE EST-ELLE DEVENUE
COMPLEXE ? au cours de l’évolution de l’univers jusqu’à l’organisme pensant
COMMENT POURQUOI
Y a-t-il même des FORMES PLUS COMPLEXES de la MATIÈRE A CRÉER
?
SÉLECTION imposée par un STIMULUS ou un EFFECTEUR
AMPLIFICATION des AGONISTES : À LA FOIS AB ET A’B’ Utiliser l’Amplification de AB pour Amplifier A’B’ ( propriétés spécifiques)
AB
A’B’
AB’
A’B
Distribution Forcée E-AB
A’B’
AB’
A’B
ADAPTATION
AUTO-ORGANISATION
SÉLECTION imposée par l’ EFFECTEUR E
SÉLECTION sous la PRESSION de l’AUTO-ORGANISATION Signification pour l’ÉVOLUTION PRÉBIOTIQUE de la MATIÈRE
Amplification de AB (« fittest ») impose l’amplification de A’B’ (« unfittest »)
Distribution Statistique
AGONISTE ANTAGONISTE Connectivité
Etat Non-Organisé Etat Organisé
RÉSEAUX CONSTITUTIONNELS DYNAMIQUES Vers les SYSTÈMES COMPLEXES
Réseaux de CONSTITUANTS en INTERCONVERSION DYNAMIQUE
RÉSEAUX ADAPTATIFS
dans l’ESPACE de la MATIÈRE
dans le TEMPS du MOUVEMENT
Diversité Structurale Combinaisons
Mouvements aléatoires Fluctuations
Interactions
Sélection de Structure(s) d’Espèces Sélection du Mouvement
de la Direction
Évolution de la Matière Mouvement Orienté
AUTO-ORGANISATION
Up-regulation of Pb.1 and Zn.2
Up-regulation of Zn.1 and Pb.2
Effector Y
Weighted Dynamic Network
Pb.1
Zn.2
Zn.1.N2C3
Pb.2
Zn.1 Pb.1
Zn.2 Pb.2
Effector X
Zn.1
Zn.2 Pb.2
Pb.1.N2O
Effector-Induced Constitutional Adaptation and Switching in a Constitutional Dynamic Network of M·L constituents
44%
6% 44%
6%
(50%) (50%) 50%
50% 6%
(6%)
44%
(6%) (44%) (44%) 44% 6%
1
2
+
Zn Pb
