Depuis les années 1980, cependant, les scientifiques ont détourné ces règles d’appariement pour construire des structures autres que des doubles hélices. Ce domaine s'appelle la nanotechnologie de l'ADN, et sa mise en œuvre la plus populaire, l'origami de l'ADN, permet aux chercheurs de plier l'ADN dans n'importe quelle forme, offrant ainsi une approche puissante pour construire des appareils et des machines à l'échelle nanométrique.

L'origami ADN consiste à mettre un long morceau d'ADN, appelé échafaudage, avec des centaines de petits morceaux d'ADN soigneusement sélectionnés, appelés agrafes, dans un tube à essai, et à les laisser se replier ensemble pour former la structure conçue.

La technologie est remarquablement efficace, l’ensemble du processus se déroulant en une seule étape expérimentale. Malgré son apparente simplicité, le processus est complexe et les scientifiques n'ont pas une idée complète de ce qui se passe lors du pliage. Les microscopes ordinaires ont du mal à voir les structures d'origami d'ADN en raison de leur petite taille et de celles qui peuvent nécessiter que les structures soient attachées à une surface.

Une façon d’essayer de comprendre ce processus consiste à utiliser des simulations informatiques, en utilisant une approche connue sous le nom de dynamique moléculaire. Les chercheurs ont essayé d’utiliser ces simulations dans le passé pour comprendre ce qui se passe lorsque les structures d’origami d’ADN se replient. Cependant, les modèles existants prennent en compte chaque nucléotide et les mouvements de la structure en évolution qui en résultent sur des milliards de petits pas de temps. Le processus est exigeant en termes de calcul, limitant la taille des structures et le temps pendant lequel la dynamique peut être simulée.

Pour contourner cet obstacle, Gaurav Arya, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke, et son doctorant Marcello Deluca prennent du recul.

Plutôt que de simuler chaque nucléotide, ils ont développé un nouveau modèle qui leur permet de capturer la dynamique de ce processus en considérant uniquement le comportement de groupes de huit nucléotides. Cette simplification signifie que, même s'ils sont toujours capables de simuler la structure sur des milliards d'étapes, chacune de ces étapes peut être beaucoup plus grande et chaque étape est plus facile à simuler.

Utilisation de cette approche dans un article publié en ligne le 8 avril dans Nature Communications , Arya et DeLuca ont montré qu'ils pouvaient modéliser la dynamique de pliage des centaines de fois pour des origami d'ADN de plus de 8 000 nucléotides. Le précédent record pour une seule simulation était de 770.

"Notre technique manque des détails moléculaires des modèles existants, mais ce n'est pas ce que nous recherchons ici", a déclaré Arya. "Nous nous intéressons à la dynamique globale de structures complexes entières au fur et à mesure qu'elles s'auto-assemblent."

Les résultats révèlent déjà de nombreuses nouvelles informations sur la dynamique du pliage de l'origami. Par exemple, l’étude a révélé que ces structures commencent à ressembler beaucoup aux structures pliées finales très tôt dans le processus, mais mettent beaucoup de temps à se cristalliser dans leur forme finale. L'étude suggère également qu'un phénomène appelé élan de pliage, qui est très important dans le repliement des protéines, pourrait également jouer un rôle dans le pliage de l'origami.

Arya et DeLuca affirment que cette approche pourrait éventuellement aider des centaines d'autres groupes de recherche travaillant dans ce domaine à optimiser le pliage de leurs structures. En étant capables de simuler le résultat du pliage d'une conception plusieurs fois sur une courte période, les scientifiques seront en mesure de prédire le produit final et d'apporter des améliorations à leur conception avant même qu'il doive être acheté et plié en laboratoire.

Ils soulignent également que cette approche de modélisation pourrait contribuer à accélérer les applications potentielles de l'origami ADN, par exemple dans l'administration de médicaments, car elle donne une compréhension plus complète de ce qui se passe.

"Les dispositifs d'origami à ADN peuvent être conçus pour libérer automatiquement les molécules piégées une fois qu'elles sont exposées à un certain environnement, comme les niveaux de pH plus bas trouvés à l'intérieur d'une tumeur", a déclaré DeLuca.

"Mais un défi majeur pour faire approuver quelque chose comme ça est une compréhension suffisante de ces appareils, y compris la façon dont ils plient et libèrent leur cargaison. Si nous pouvons dresser un meilleur tableau, cela pourrait atténuer les problèmes réglementaires pour ces types de produits thérapeutiques."