L’organisation de la matière à l’échelle nanométrique a une forte influence sur ses propriétés. Par exemple, la course à la performance des puces électroniques, grâce à la miniaturisation des transistors et l'accroissement de leur densité, a permis de réduire la consommation électrique tout en augmentant la puissance de calcul des micro-processeurs. Ces progrès de la microélectronique, dus à l’organisation de la matière à l’échelle nanométrique, peuvent s'appliquer à bien d'autres domaines comme les batteries, les panneaux photovoltaïques, les biocapteurs …

La nano-organisation de la matière peut être réalisée en utilisant deux types d’approches. La première approche, dite « top-down », est la plus répandue. Elle consiste à reprendre un bloc de matière massif pour le tailler le plus finement possible, exactement comme un bloc de pierre serait sculpté par un artiste. Avec cette méthode de gravure, il est possible d’obtenir des motifs d'environ 20 nm, mais il devient très difficile de faire encore plus petit. La seconde approche, dite « bottom-up », repose sur l'assemblage élémentaire des atomes, à l’image de briques de Lego™, pour obtenir au final une construction organisée. Cette méthode s’inspire des assemblages moléculaires que l’on trouve dans la nature. Mais les inconvénients d’une telle méthode résident dans la difficulté à réaliser des assemblages multicouches et dans la faible capacité de greffage de ces couches.
Pour remédier aux inconvénients de l’approche « bottom-up », les équipes de l’Irig cherchent à synthétiser des matériaux nano-structurés multicouches présentant une forte capacité de greffage. Pour cela, ils ont sélectionné une protéine de l'arbre Ginkgo biloba, la protéine LEAFY. Cette protéine présente un domaine d'oligomérisation capable de s'auto-assembler naturellement en trois dimensions (3D) pour former des polymères hélicoïdaux (Figure) correspondant à l’empilement de 40 couches de protéines. Ces polymères s'imbriquent les uns aux autres pour former une structure 3D en nids d'abeille avec des motifs espacés de 8 nm, ce qui représente un gain considérable par rapport à ce qui peut être obtenu par une approche « top-down ». Ensuite, grâce à une partie modulable du domaine d’oligomérisation qui se trouve au sein de chaque pore du nid d’abeille, il devient possible de former des liaisons avec une grande variété de ligands, à l’image des plots en nickel (Figure).

Ainsi, les chercheurs de l’Irig ont réussi à développer un support de multicouches en forme d’alvéoles fonctionnalisables présentant des motifs inférieurs à 10 nm. La protéine LEAFY s’avère pouvoir être utilisée comme une plate-forme polyvalente dont les propriétés pourront être exploitées dans des recherches avancées en biotechnologies, en nanoélectronique, en biocatalyse ou dans le domaine des biocapteurs.


Figure : Auto-assemblage d’un nouveau biomatériau basé sur l’oligomérisation de bio polymères en nid d’abeilles aux dimensions sub 10 nm. Credit CEA​