Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Surfaces sucrées

Auto-assemblage de sucres sur des surfaces métalliques

par PREVOTS Evelyne - publié le , mis à jour le

Les saccharides sont des biomolécules omniprésentes, cependant les connaissances relatives à leur interaction avec des surfaces, leurs conformations et leur auto-assemblage 2D sont très limitées. En combinant le dépôt doux post nébulisation par faisceau d’ions, l’imagerie par microscopie à effet tunnel et la modélisation multi-étapes, la conformation et les motifs d’assemblage sur Cu(100) de deux disaccharides, le saccharose et le tréhalose, ont été révélés.

Les saccharides, également appelés hydrates de carbone, sont des biomolécules omniprésentes. Cependant, les connaissances relatives à leur interaction avec des surfaces sont très limitées. Le dépôt doux post nébulisation par faisceau d’ions associé à l’imagerie haute résolution par microscopie à effet tunnel (STM) permet maintenant d’accéder aux détails moléculaires de l’assemblage sur surface de cette classe importante de biomolécules. A titre d’exemple, le saccharose - l’un des ingrédients les plus utilisés dans l’industrie alimentaire - et le tréhalose, qui présente de forts effets lors de l’anhydrobiose de systèmes biologiques, ont été choisis pour l’étude de leur auto-assemblage sur une surface Cu(100). Les molécules de saccharose se sont avérées mobiles à température ambiante (TA) mais après refroidissement à 40 K, presque toutes les molécules sont assemblées en îlots 2D sous forme de réseaux périodiques. En revanche, les molécules de tréhalose s’auto-assemblent déjà à TA, et une variété de combinaisons d’au moins deux motifs structuraux de base compatibles est observée : une chaîne linéaire et un bloc carré creux de 8 molécules. Pour révéler les conformations moléculaires et leurs assemblages, une procédure de modélisation multi-étapes a été utilisée. Elle est composée d’explorations globales des paysages d’énergie potentielle réalisées à l’aide d’un nouvel algorithme appelé IGLOO (une méthode stochastique qui effectue une optimisation globale par itération de recherches locales) suivies de raffinements DFT, donnant des conformations énergétiquement quasi-équivalentes, représentant différentes possibilités d’adsorption des disaccharides sur la surface. En appliquant les contraintes des observations STM, nous avons rationalisé quelle conformation est celle observée pour chaque molécule, et construit des modèles pour les interactions intermoléculaires. Les connaissances spécifiques acquises relatives à leurs géométries d’adsorption peuvent aider à comprendre l’influence de ces saccharides sur les propriétés d’hydratation/anhydrobiose, par exemple. À cette résolution, la combinaison de la microscopie STM et de méthodes de pointe de simulations multi-étapes est une approche très prometteuse pour caractériser la structure de glucides complexes adsorbés sur les surfaces, tels que ceux impliqués dans la formation des biofilms bactériens. Ce fait marquant résulte d’un travail de recherche conjoint du CEMES, du LAAS et du MPI Stuttgart.

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1) Image STM du réseau périodique de saccharose sur Cu(100) à 40K. 2) Image expérimentale (à gauche), image STM simulée (au centre) et structure moléculaire (à droite) du saccharose. 3) Image STM de l’assemblage du tréhalose sur Cu(100) à TA. 4) Image STM mesurée (à gauche) et simulée (à droite) du motif B partiellement superposées à la structure moléculaire.

 

Références

"Carbohydrate self-assembly at surfaces : STM imaging of sucrose conformation and ordering on Cu(100)" 
S. Abb, N. Tarrat, J. Cortés, B. Andriyevsky, L. Harnau, J. C. Schön, S. Rauschenbach, K. Kern
Angewandte Chemie Int. Ed., 2019, 58, 1. Back Cover !

"Polymorphism in carbohydrate self-assembly at surfaces : STM imaging and theoretical modeling of trehalose on Cu(100)"
S. Abb, N. Tarrat, J. Cortés, B. Andriyevsky, L. Harnau, J. C. Schön, S. Rauschenbach and K. Kern
RSC Advances, 2019, 9, 35813 – 35819.

 

Contact

Dr. Nathalie Tarrat