L'ADN a évolué pour stocker l'information génétique, mais en principe ce spécial, la molécule en forme de chaîne peut également être adaptée pour fabriquer de nouveaux matériaux. Les chimistes du Scripps Research Institute (TSRI) ont maintenant publié une démonstration importante de cette réutilisation de l'ADN pour créer de nouvelles substances avec des applications médicales possibles.

Floyd Romesberg et Tingjian Chen de TSRI, dans une étude publiée en ligne dans la revue de chimie Angewandte Chemie , ont montré qu'ils pouvaient apporter plusieurs modifications chimiques potentiellement intéressantes aux nucléotides de l'ADN et produire des quantités utiles de l'ADN modifié. Les chimistes ont démontré leur nouvelle approche en créant un hydrogel absorbant l'eau qui peut finalement avoir de multiples utilisations médicales et scientifiques.

"L'ADN a des propriétés uniques en tant que matériau, et avec cette nouvelle capacité de le modifier et de le répliquer comme un ADN normal, nous pouvons vraiment commencer à explorer des applications potentielles intéressantes, " dit Romesberg, professeur de chimie au TSRI.

Au cours de la dernière décennie, le laboratoire de Romesberg a aidé à mettre au point des méthodes de fabrication d'ADN modifié, dans le but ultime de développer de nouveaux médicaments de valeur, des sondes et des matériaux, même des formes de vie artificielles. L'équipe a franchi une étape importante l'année dernière avec un exploit rapporté dans Nature Chemistry :le développement d'une enzyme ADN polymérase artificielle qui peut faire des copies d'ADN modifié, autant que les ADN polymérases normales répliquent l'ADN normal.

Les modifications de l'ADN testées dans cette étude impliquaient uniquement la fixation de fragments fluor (F) ou méthoxy (O-CH3) au squelette de sucre des nucléotides d'ADN, des modifications qui amélioreraient en principe les propriétés des médicaments à base d'ADN. Dans la nouvelle étude, Chen et Romesberg ont démontré plusieurs autres modifications que leur polymérase SFM4-3 peut répliquer et, en faisant ainsi, a ouvert la porte à la conception d'ADN modifié pour une gamme d'applications beaucoup plus large.

L'une des nouvelles modifications ajoute un groupe azido (N3), un point d'attache pratique pour de nombreuses autres molécules via un ensemble de techniques relativement simples appelées "click chemistry, " a également été pionnier au TSRI. Les chimistes du TSRI ont montré que la polymérase SFM4-3 peut répliquer des nucléotides modifiés par azido avec une fidélité adéquate et peut amplifier de manière exponentielle des brins de cet ADN modifié en utilisant une méthode de laboratoire commune, réaction en chaîne par polymérase (PCR). La chimie Click peut ensuite être utilisée pour ajouter une grande variété de molécules différentes à l'ADN via le groupe azido.

"Avec l'azido-ADN et la chimie du clic, nous avons pu produire de l'ADN hautement fonctionnalisé, y compris l'ADN modifié avec une concentration intense de molécules balises fluorescentes et l'ADN marqué avec une poignée chimique appelée biotine, " dit Chen, qui est chercheur associé postdoctoral au Laboratoire Romesberg.

Les scientifiques dans une démonstration plus avancée ont utilisé la chimie du clic pour attacher plusieurs brins d'ADN à un brin d'ADN modifié par azido, la création d'une structure "pinceau". Ils ont ensuite utilisé l'assemblage pour amplifier l'ADN par PCR afin d'obtenir un grand maillage d'ADN qui, à leur grande surprise, a formé un hydrogel lorsqu'il a été exposé à l'eau.

« Les hydrogels suscitent un grand intérêt de nos jours car ils ont de nombreuses applications potentielles, bien qu'il existe relativement peu de moyens pour leur production contrôlée, ", a déclaré Romesberg.

Le nouvel hydrogel à base d'ADN s'est avéré avoir des propriétés intrigantes. Chen et Romesberg ont découvert qu'ils pouvaient le dissoudre avec des enzymes coupant l'ADN et le reformer plus tard dans n'importe quel moule souhaité en utilisant des enzymes de jonction d'ADN, leur permettant de former et de reformer l'hydrogel avec de nouvelles structures stables. Les protéines d'essai placées dans l'hydrogel ont également conservé leur activité biochimique.

"Nous pensons que cet hydrogel peut avoir des applications allant de nouvelles formes d'administration de médicaments à la croissance de cellules dans des cultures tridimensionnelles, " dit Chen.

Les chercheurs ont démontré que la polymérase SFM4-3 peut également être utilisée pour répliquer et amplifier l'ADN qui a été modifié avec trois autres types d'ajouts au sucre du squelette :un groupe chloro (Cl) ou amino (NH2), ou un groupe hydroxyle (OH) qui se combine avec le squelette pour former un sucre arabinose.

Chen et Romesberg recherchent maintenant des modifications supplémentaires de l'ADN pouvant être répliquées à l'aide de la polymérase SFM4-3. À la fois, les chercheurs poursuivent des applications spécifiques de leur ADN modifié, y compris les nouveaux hydrogels.

"Étant donné que l'ADN peut avoir différentes séquences qui confèrent des propriétés différentes, on peut même commencer à réfléchir à l'évolution des nanomatériaux avec les activités souhaitées, ", a déclaré Romesberg.