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  • Boîte à outils des concepteurs pour les nanomachines à ADN dynamiques

    Vue d'artiste de composants d'ADN de forme complémentaire qui s'auto-assemblent en machines à l'échelle nanométrique. Crédit :C. Hohmann / NIM

    Les derniers nanodispositifs à ADN créés à la Technische Universitaet Muenchen (TUM) - y compris un robot avec des bras mobiles, un livre qui s'ouvre et se ferme, un engrenage commutable, et un actionneur - peuvent être intrigants en eux-mêmes, mais ce n'est pas le sujet. Ils démontrent une percée dans la science de l'utilisation de l'ADN comme matériau de construction programmable pour des structures et des machines à l'échelle nanométrique. Résultats publiés dans la revue Science révèlent une nouvelle approche pour joindre - et reconfigurer - des unités modulaires de construction 3D, en assemblant des formes complémentaires au lieu d'assembler des chaînes de paires de bases. Cela ouvre non seulement la voie à des nanomachines pratiques avec des pièces mobiles, mais propose également une boîte à outils qui facilite la programmation de leur auto-assemblage.

    Le domaine communément appelé "Origami ADN, " en référence à l'art traditionnel japonais du pliage du papier, évolue rapidement vers des applications pratiques, selon TUM Prof. Hendrik Dietz. Plus tôt ce mois-ci, Dietz a reçu le prix de recherche le plus important d'Allemagne, le prix Gottfried Wilhelm Leibniz, pour son rôle dans ce progrès.

    Dans les années récentes, Dietz et son équipe ont été à l'origine d'étapes majeures dans le sens des applications :dispositifs expérimentaux comprenant un canal membranaire synthétique fabriqué à partir d'ADN; des découvertes qui réduisent le temps nécessaire aux processus d'auto-assemblage d'une semaine à quelques heures et permettent des rendements proches de 100 % ; la preuve que des structures extrêmement complexes peuvent être assemblées, comme conçu, avec une précision subnanométrique.

    Pourtant, toutes ces avancées ont utilisé un « appariement de bases » pour déterminer comment les brins individuels et les assemblages d'ADN se joindraient à d'autres en solution. Ce qui est nouveau, c'est la "colle".

    « Une fois que vous avez construit une unité avec des paires de bases, " Dietz explique, "Il est difficile de se séparer. Ainsi, les structures dynamiques créées à l'aide de cette approche avaient tendance à être structurellement simples." Pour permettre une plus large gamme de nanomachines à ADN avec des pièces mobiles et des capacités potentiellement utiles, l'équipe a adapté deux autres techniques de la boîte à outils biomoléculaire de la nature :la façon dont les protéines utilisent la complémentarité des formes pour simplifier l'amarrage avec d'autres molécules, et leur tendance à former des liaisons relativement faibles qui peuvent être facilement rompues lorsqu'elles ne sont plus nécessaires.

    Flexibilité bio-inspirée

    Pour les expériences rapportées dans Science , Dietz et ses co-auteurs - doctorants Thomas Gerling et Klaus Wagenbauer, et l'étudiante en licence Andrea Neuner de la TUM's Munich School of Engineering - se sont inspirées d'un mécanisme qui permet aux molécules d'acide nucléique de se lier par des interactions plus faibles que l'appariement de bases. Dans la nature, des liaisons faibles peuvent se former lorsque l'enzyme à base d'ARN RNase P « reconnaît » ce qu'on appelle l'ARN de transfert; les molécules sont guidées dans une plage suffisamment proche, comme amarrer un vaisseau spatial, par leurs formes complémentaires.

    Auto-assemblage, ADN reconfigurable « nanorobot » tel que conçu (ci-dessus) et tel qu'observé par microscopie électronique à transmission (ci-dessous). Crédit :H. Dietz / TUM

    La nouvelle technologie du laboratoire de Dietz imite cette approche. Pour créer une nanomachine à ADN dynamique, les chercheurs commencent par programmer l'auto-assemblage de blocs de construction 3D qui sont façonnés pour s'emboîter. Une faible, Un mécanisme de liaison à courte distance appelé empilement de nucléobases peut ensuite être activé pour mettre ces unités en place. Trois méthodes différentes sont disponibles pour contrôler la forme et l'action des dispositifs fabriqués de cette manière.

    "Ce que cela nous a donné, c'est une hiérarchie à plusieurs niveaux des forces d'interaction, " Dietz dit, "et la capacité de positionner - précisément là où nous en avons besoin - des domaines stables capables de reconnaître et d'interagir avec des partenaires de liaison." L'équipe a produit une série de dispositifs à ADN - allant de filaments à l'échelle micrométrique qui pourraient préfigurer des "flagelles" technologiques à des machines à l'échelle nanométrique avec des pièces mobiles - pour démontrer les possibilités et commencer à tester les limites.

    Par exemple, des micrographies électroniques à transmission d'une forme tridimensionnelle, Un robot humanoïde à l'échelle nanométrique confirme que les pièces s'emboîtent exactement comme prévu. En outre, ils montrent comment une méthode de contrôle simple - changer la concentration d'ions positifs en solution - peut basculer activement entre différentes configurations :assemblées ou désassemblées, avec des "bras" grands ouverts ou reposant sur le côté du robot.

    Une autre méthode pour faire basculer un nanodispositif à ADN entre ses différents états structurels - en augmentant et en abaissant simplement la température - s'est avérée particulièrement robuste. Pour les générations d'appareils précédentes, cela nécessitait de séparer et de rejoindre des paires de bases d'ADN, et ainsi les systèmes ont été "usés" par la dilution et les réactions secondaires après seulement quelques cycles de commutation. Un actionneur en forme de ciseaux décrit dans le présent document a subi plus d'un millier de cycles de commutation de température sur une période de quatre jours sans aucun signe de dégradation.

    "Le cyclage de la température est un moyen de mettre de l'énergie dans le système, " Dietz ajoute, « donc si la transition conformationnelle réversible pouvait être couplée à un processus en constante évolution, nous avons maintenant un moyen non seulement de construire des nanomachines, mais aussi pour les alimenter."

    "Un claquement" - comme un jeu d'enfant

    Il y a encore une autre dimension à la flexibilité acquise en ajoutant des composants complémentaires de forme et une liaison faible à la boîte à outils de la nanotechnologie de l'ADN. Programmer l'auto-assemblage par appariement de bases seul revient à écrire du code informatique en langage machine. L'espoir est que cette nouvelle approche rendra plus facile de plier l'origami d'ADN à des fins pratiques, de la même manière, l'avènement des langages de programmation informatique de niveau supérieur a stimulé les progrès de l'ingénierie logicielle.

    Dietz le compare à la construction avec des jouets pour enfants comme LEGO :« Vous concevez les composants pour qu'ils soient complémentaires, et c'est tout. Plus besoin de jouer avec les séquences de paires de bases pour connecter les composants."


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