Des chercheurs de l'Université McGill croient avoir trouvé un moyen d'améliorer le développement de biomatériaux qui pourraient jouer un rôle dans l'administration de médicaments, régénération tissulaire, nano-optique et nanoélectronique.

L'équipe, dirigé par Hanadi Sleiman, Professeur titulaire et Chaire de recherche du Canada de niveau 1 en nanosciences de l'ADN au Département de chimie, a développé une méthode inspirée de la façon dont la nature répare les matériaux défectueux afin de créer des formes plus robustes. Ils ont utilisé le rayonnement d'un appareil photo de téléphone intelligent pour « détendre » les structures à base d'ADN et créer des matériaux réalistes qui peuvent être modifiés à la demande et être utilisés à diverses fins.

A quelles questions avez-vous décidé de répondre ?

Nous voulions savoir s'il était possible de développer de nouvelles procédures chimiques qui pourraient mieux imiter les processus naturels et créer des biomatériaux réalistes avec des structures variées et malléables qui pourraient être utilisées dans la science des matériaux et l'ingénierie tissulaire. La nature utilise l'apport et la transformation constants d'énergie pour moduler la forme et la fonction de ses systèmes chimiques. Dans les tissus tels que le collagène, cette conversion d'énergie donne des fibres aux propriétés différentes, entraînant des variations dans leur élasticité et leur robustesse. En revanche, les fibres synthétiques sont fabriquées selon des procédés de fabrication statiques et n'offrent pas ces comportements dynamiques, rendant difficile la régulation de leurs propriétés.

Dans cette étude, nous avons cherché à coupler des fibres d'ADN supramoléculaires avec une petite molécule sensible à la lumière pour introduire de la dynamicité dans ces structures, d'une manière similaire à la façon dont la nature contrôle la fonction des tissus biologiques. L'ADN est un matériau de construction attrayant pour générer de nouvelles architectures fibreuses en raison de ses propriétés prévisibles d'assemblage et de reconnaissance moléculaire. Il est aussi intrinsèquement dynamique, ce qui en fait un candidat idéal pour produire des matériaux biocompatibles avec des propriétés accordables.

Qu'as-tu trouvé?

Lorsque ces composants sont mélangés à température ambiante, ils s'assemblent en triples hélices d'ADN qui se combinent en fibres micrométriques, qui ensuite s'interconnectent et deviennent grands, réseaux enchevêtrés. Ces architectures présentent des défauts structurels, limitant leur utilité dans les applications de la science des matériaux et du génie tissulaire.

Pour remédier à ce problème, nous avons utilisé un système photochimique pour réguler l'assemblage de structures à base d'ADN et développé une procédure dans laquelle les fibres sont désassemblées lors de l'irradiation d'un appareil photo de smartphone, puis séquestrer des brins d'ADN individuels dans une haute énergie, ADN double brin. Lorsque la lumière est éteinte, les brins d'ADN sont lentement libérés de leur dépôt de stockage à haute énergie, et les fibres se réassemblent.

Nous avons constaté que lorsque cette relaxation de la haute énergie se produisait, le produit emboîté initial n'a pas été réformé :au lieu de cela, fibres individuelles agrégées parallèlement les unes aux autres, générer des "nanocables" épais avec des propriétés mécaniques améliorées et des stabilités thermiques plus élevées.

En utilisant notre approche photochimique, la voie d'assemblage de la polymérisation est altérée, impact sur la structure locale des fibres. Les fibres formées à l'aide de notre stratégie ont moins de défauts structurels que celles cultivées sans activation de cycle. Nos fibres individuelles plus « parfaites » sont ainsi empêchées de se ramifier et sont plutôt encouragées à s'agréger le long de leur axe de polymérisation, donnant lieu à des câbles robustes et organisés.

Pourquoi les résultats sont-ils importants ?

L'une des avancées de ce travail est le développement de nouvelles méthodes de caractérisation (en collaboration avec le laboratoire du Pr Gonzalo Cosa) pour comprendre l'assemblage au niveau d'une seule fibre. Alors que les techniques de fluorescence à molécule unique ont été largement utilisées pour étudier les systèmes biologiques, cette étude marque la première observation directe des différents mécanismes de polymérisation supramoléculaire, et le premier essai optique développé pour sonder l'hétérogénéité des polymères supramoléculaires.

Nous prévoyons que ces nouvelles méthodologies seront largement applicables à l'étude des matériaux naturels et synthétiques et pourraient fournir des informations importantes sur la façon dont la nature contrôle les propriétés de ses tissus fonctionnels, permettant aux scientifiques de produire des matériaux plus dynamiques et ajustables.

Lorsque nous identifions des imperfections dans un matériau, on peut le démonter et changer le parcours de son remontage pour affiner la structure. Il en résulte des biomatériaux plus robustes qui peuvent être utilisés comme échafaudages pour la croissance cellulaire, régénération tissulaire, et l'organisation des nanomatériaux.