Dans un premier temps, des scientifiques de l'Université technique de Munich forment des blocs de construction en forme de V en utilisant des techniques d'ADN-origami. Déterminé par l'angle d'ouverture, un nombre défini de blocs de construction s'auto-assemble en une roue dentée. Dans une troisième étape, ces roues dentées forment des tubes avec des tailles de capsides virales. Crédit :Hendrik Dietz / TUM
En utilisant une technique connue sous le nom d'origami ADN, Le biophysicien Hendrik Dietz construit depuis plusieurs années des objets à l'échelle nanométrique à l'Université technique de Munich (TUM). Maintenant, Dietz et son équipe ne sont pas seulement sortis du domaine du nanomètre pour construire des objets plus gros, mais ont également divisé par mille les coûts de production. Ces innovations ouvrent une toute nouvelle frontière pour la technologie.
Les virus encapsulent leur matériel génétique dans une enveloppe comprenant une série de blocs de construction protéiques identiques. La capsule du virus de l'hépatite B, par exemple, comprend 180 sous-unités identiques, un cas typique de construction « préfabriquée » déployée fréquemment dans la nature.
L'équipe dirigée par Hendrik Dietz, Le professeur de nanotechnologie biomoléculaire à la TU de Munich a maintenant transféré les principes de construction virale à la technologie de l'origami ADN. Cela leur permet de concevoir et de construire des structures à l'échelle des virus et des organites cellulaires.
La technologie s'appuie sur un long brin simple qui est attaché à une structure double brin à l'aide de courtes séquences d'agrafes. "La structure double brin est suffisamment stable énergétiquement pour que nous puissions forcer le simple brin dans presque n'importe quelle forme en utilisant des contreparties choisies de manière appropriée, " explique Hendrik Dietz. " De cette façon, nous pouvons concevoir avec précision des objets dans l'ordinateur qui ne mesurent que quelques nanomètres. "
Engrenages pour nanomoteurs
Le laboratoire Dietz maîtrise des techniques qui leur permettent de modifier davantage et d'insérer des fonctionnalités chimiques dans les objets en ajoutant des groupes latéraux. Mais, jusqu'à maintenant, la taille des objets est restée dans le domaine du nanomètre. Dans la revue scientifique La nature , l'équipe décrit maintenant comment des structures plus grandes peuvent être construites à l'aide de pièces préfabriquées.
À cette fin, ils ont d'abord créé des nano-objets en forme de V. Ceux-ci ont des sites de liaison complémentaires de forme sur leurs côtés, leur permettant de s'attacher de manière autonome les uns aux autres tout en flottant dans une solution. Selon l'angle d'ouverture, ils forment des "engrenages" avec un nombre contrôlé de rayons.
« Nous avons été ravis de constater que, presque sans exception, anneaux formés comme défini par l'angle d'ouverture, " dit Hendrik Dietz. " La précision et la rigidité des blocs de construction individuels sont déterminantes pour la capacité de construire des objets de cette taille et de cette complexité. Nous avons dû renforcer des éléments individuels avec des traverses, par exemple."
ADN-origami "roues dentées" auto-assemblées à partir de blocs de construction en forme de V. Image prise avec un microscope cryoélectronique Titan Krios G2 300 kV. Barre d'échelle :100 nm. Crédit :Hendrik Dietz / TUM
Construction de microtubes
Pour exploiter davantage le principe de construction, l'équipe a créé de nouveaux blocs de construction qui avaient des "joints de colle" non seulement sur les côtés, mais aussi légèrement plus faibles en haut et en bas. Cela permet aux "nano-engrenages" de former de longs tubes en utilisant les sites d'amarrage supplémentaires dans une deuxième étape.
"A des longueurs d'un micromètre et un diamètre de plusieurs centaines de nanomètres, ces tubes ont atteint la taille de certaines bactéries, " explique Hendrik Dietz. " Et nous pouvons utiliser l'architecture d'éléments individuels pour déterminer les caractéristiques de la structure globale. "
Construire des structures polyédriques
Inspiré par les symétries et la conception hiérarchique des virus, les chercheurs ont également tenté de construire des structures en cage fermées. "Une future application potentielle des cages artificielles est le transport de médicaments dans le corps, " explique Hendrik Dietz. " Ici, l'objectif est de libérer des agents actifs uniquement à des emplacements spécifiques souhaités, épargnant le reste du corps."
En utilisant les principes déjà appliqués aux structures décrites précédemment, l'équipe a maintenant construit de nouveaux éléments qu'ils espéraient assembler de manière auto-limitée dans des structures de cage dans les bonnes conditions. Selon ces stratégies, une section médiane triangulaire et trois éléments en forme de V donnent naissance à un élément de construction à trois volets.
Selon l'angle d'ouverture du V, un nombre défini de ces unités fusionnent pour former tétraédrique, structures hexaédriques ou dodécaédriques dans un deuxième temps. Les structures finales intègrent jusqu'à 1,8 million de paires de bases d'ADN adressables à des positions définies par l'utilisateur. Pour la première fois, ces cages de taille discrète atteignent des poids moléculaires et des tailles comparables à ceux des virus et des organites à petites cellules.
Un objet vis-écrou créé par DNA-origami. En utilisant des enzymes dites ADN, des scientifiques de l'Université technique de Munich ont pu mettre en place un processus de production de masse en réduisant les coûts des objets ADN-origami par un facteur de mille. Crédit :Hendrik Dietz / TUM
Production de masse rentable
À ce jour, les procédés de fabrication ont limité le champ d'application à ceux ne nécessitant que de petites quantités de matière. Le fait que seuls quelques microgrammes puissent être fabriqués avec des méthodes conventionnelles exclut de nombreuses applications potentielles en médecine et en science des matériaux.
Le goulot d'étranglement est constitué par les brins courts qui doivent être produits chimiquement base par base. Le brin principal obtenu à partir de bactériophages, d'autre part, peut être produit à grande échelle à l'aide de procédés biotechnologiques.
C'est pourquoi l'équipe dirigée par Hendrik Dietz a raffiné des enzymes dites ADN, une découverte issue de la biotechnologie de synthèse. Ce sont des brins d'ADN qui se séparent à des positions spécifiques lorsqu'ils sont exposés à une forte concentration d'ions zinc.
Ils ont joint les séquences d'agrafes courtes à un long brin en utilisant chacune deux enzymes d'ADN modifiées. "Une fois assemblé avec précision avec une séquence de base spécifique, ces brins combinés peuvent être reproduits dans un procédé biotechnologique, comme avec les simples brins d'ADN de bactériophage, " dit Dietz, expliquant la caractéristique clé du processus.
Production biotechnologique à grande échelle
Le brin principal et le brin secondaire, comprenant des enzymes ADN et les séquences discontinues, ont été produits avec succès en utilisant un procédé à haute densité cellulaire avec des bactéries. Le processus est évolutif et se prête donc à une production en grand volume des principaux brins et agrafes. L'augmentation de la concentration en ions zinc après l'isolement de l'ADN libère les courtes séquences d'agrafes, qui ensuite plient le brin principal dans la forme désirée.
Des recherches approfondies sur les mécanismes de réaction en collaboration avec des collègues de l'Institut de génie biochimique ont montré que cela est possible même à grande échelle. Au Centre de recherche TUM pour la biotechnologie industrielle à Garching, les scientifiques ont maintenant produit plusieurs grammes de quatre objets en origami ADN différents. La mise à l'échelle du processus à l'échelle du mètre cube est désormais à portée de main.
« L'interaction de la biotechnologie et de la technologie des procédés a ainsi permis de poser une étape vraiment fondamentale sur la voie des futures applications de la nanotechnologie de l'ADN, " dit le professeur Dirk Weuster-Botz, Président de l'Institut de génie biochimique.
