Appels FNRS 2024 : Focus sur l’Institut NISM

L'objectif de ce projet de recherche (PDR), financé par le FNRS est d'approfondir les connaissances sur les phases cristallines complexes des sels simples. Le projet ambitionne de renforcer les activités de recherche internationales, qui ont débuté en 2016 et ont permis de publier les premiers résultats dans Nature en 2021.  Lire l'article en ligne...

Les phases FK sont connues depuis 1959 comme une grande famille d’alliages métalliques, mais l’étude a démontré que des simples molécules pharmaceutiques peuvent cristalliser avec une complexité similaire, ce qui n’était pas connu auparavant. 

Par ce nouveau projet, les chercheurs souhaitent aller plus loin en utilisant principalement des techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide et diffraction des rayons X (DRX) sur poudres et monocristaux. Cette étude sera effectuée en collaboration avec autres chercheurs de l’Institut NISM (Nikolay Tumanov, Carmela Aprile et Johan Wouters), ainsi qu’avec des collaborateurs travaillant dans d’autres pays, comme Riccardo Montis (Université de Urbino, Italie) et Simon Coles (Directeur du National Crystallography Service (NCS), Université de Southampton, UK).

Le projet de recherche (PDR) "NPN cofactor synthesis and roles" est à l'interface entre biochimie fondamentale et enzymologie. Il repose sur la découverte récente, par une équipe de l'UCLouvain, d'un nouveau cofacteur, nommé NPN, de structure très originale. Il s'agit d'un dinucléotide portant un complexe de Nickel. Il est impliqué dans des réactions enzymatiques importantes mais sa réactivité, sa biosynthèse et son mécanisme d'action sont très peu connus. De plus, il est présent dans 20% des génomes bactériens et 50% des génomes d'Archaea (archéobactéries), mais seulement une infime fraction des enzymes l'employant ont été caractérisées. 

Le projet de recherche repose sur la complémentarité des expertises de Benoit Desguin (UCLouvain, biochimie) et Stéphane Vincent (chimie bio-organique). L'objectif principal du projet et de comprendre le rôle et le mécanisme de ce cofacteur grâce à des études biochimiques, structurales et cinétiques. Des analogues du cofacteur NPN vont être synthétisés par l'équipe de l’UNamur : elles seront conçues de manière à élucider le mode d'interaction et de réaction du cofacteur NPN avec les enzymes l'employant.

Ce projet de recherche (PDR) est une co-promotion des professeurs Tom Leyssens (UCLouvain) et Johan Wouters (UNamur).  Il vise à faire entrer le processus de déracémisation par cristallisation dans l'ère de la « chimie verte ».

La déracémisation est un terme utilisé en chimie pour décrire le processus de séparation d'un mélange racémique en ses deux énantiomères, c'est-à-dire les formes chirales (gauche et droite) d'une molécule. Dans l'industrie pharmaceutique, 50 % des composés médicamenteux commercialisés contiennent un centre chiral, essentiel à leur fonctionnement. Lorsqu'un énantiomère a l'effet pharmacologique désiré, l'autre peut être inactif ou avoir des effets indésirables. C'est pourquoi les nouveaux médicaments sont souvent commercialisés sous forme de composés énantiopurs (c’est-à-dire débarrassés de leur « jumeau chiral » impur). 

La façon la plus courante d'obtenir des médicaments chiraux implique encore la formation d'un mélange racémique. Il peut alors être produit par des techniques de séparation chimique ou physique, avec une perte de rendement de 50 %.  Si le composé en question est « racémisable », l'énantiomère indésirable peut techniquement être retransformé en un mélange racémique, ce qui permet d'obtenir un rendement théorique de 100 %. Au cours de la dernière décennie, diverses méthodologies de déracémisation basées sur la cristallisation ont été développées.  Cependant, toutes ces méthodes nécessitent l'utilisation de grandes quantités de solvant car il s'agit de processus de cristallisation.

Cette recherche vise à amener ces processus à un niveau supérieur, non seulement en les rendant plus efficaces (moins chronophages), mais aussi en les faisant entrer dans le domaine de la « chimie verte ». Pour ce faire, les chercheurs proposent des variantes mécano-chimiques pour les conglomérats et les composés racémiques. 

Ces procédés seront

• Intrinsèquement ‘verts » puisque l'énantiomère indésirable est transformé en énantiomère désiré ;
• Permis par la mécanochimie qui élimine le besoin de solvant, ce qui les rend plus « verts » que les méthodes basées sur les solutions.
• Les plus « verts » possibles, grâce à leur efficacité (échelle de temps très rapide et faible consommation d'énergie).

Ce financement permettra d’acquérir un appareillage de calorimétrie par titration isotherme (ITC) à haut débit, unique en Fédération Wallonie-Bruxelles. C’est une méthode non destructive à haute résolution permettant une caractérisation complète des détails chimiques d'une interaction en solution. 

Son acquisition permettra aux chimistes de l'UNamur, mais aussi à leurs collaborateurs, d'analyser n'importe quelle liaison, dans un vaste champ d'application, s'étendant de la biochimie à la chimie supramoléculaire. 

“Interrupteurs moléculaires ONL "dans tous leurs états" : des solutions aux surfaces fonctionnalisées et aux solides.”

Cette thèse de doctorat au sein du Laboratoire de Chimie Théorique (Département de chimie) et du Pôle Modélisation multi-échelle par le calcul à haute performance (HPC-MM) de l’Institut NISM vise à développer des méthodologies computationnelles multi-échelles innovantes pour étudier et optimiser des interrupteurs moléculaires multi-états et multifonctionnels, composants clés des dispositifs logiques et des nouvelles générations de technologies de stockage de données. 

En plus des variations des réponses optiques linéaires, il est avantageux de considérer les changements des réponses optiques non linéaires (ONL), qui permettent une lecture de données à haute résolution tout en évitant leur destruction. L'objectif principal est de prédire et d'interpréter les réponses ONL de ces interrupteurs moléculaires dans différents environnements de la matière, à savoir en solution, greffés sur des surfaces et à l'état solide. 

De plus, une attention particulière sera accordée à la modélisation des défauts et du désordre orientationnel au sein des matériaux afin de mieux représenter les conditions réelles. Ces méthodes prédictives seront validées expérimentalement au travers de collaborations étroites avec des équipes de synthèse et de caractérisation.

Les recherches au sein de NISM s’articulent autour de divers sujets de recherche en chimie organique, chimie-physique, chimie des (nano)-matériaux, sciences des surfaces, optique et photonique, physique du solide, tant d'un point de vue théorique qu’expérimental.

L’expertise des chercheurs est reconnue dans le domaine de la synthèse et de la fonctionnalisation de systèmes moléculaires et de matériaux innovants, de 0 à 3 dimensions.