Pour une polyvalence absolue, il n'y a pas de molécule tout à fait comme l'ADN. La double hélice emblématique porte le modèle génétique des formes vivantes allant des organismes unicellulaires aux êtres humains.

Récemment, les chercheurs ont découvert que les propriétés remarquables d'auto-assemblage de l'ADN et sa capacité à conduire une charge électrique sur une distance considérable le rendent idéal pour une myriade d'applications, y compris de minuscules circuits électroniques et dispositifs informatiques, nanorobots et nouvelles avancées en photonique.

Des chercheurs de l'Arizona State University, en collaboration avec NYU et Duke University, ont récemment conçu, créé et testé un circuit ADN capable de diviser et de combiner le courant, un peu comme un adaptateur qui peut connecter plusieurs appareils à une prise murale.

Nongjian "N.J." Tao, un co-auteur de la nouvelle étude, a travaillé sur le raffinement de la capacité de l'ADN à transporter la charge de manière plus stable et plus efficace, un obstacle essentiel sur la voie d'une nouvelle génération d'appareils à base biologique.

"La capacité de l'ADN à transporter une charge électrique est à l'étude depuis un certain temps, " dit Tao, qui dirige le Centre de Biodesign pour la Bioélectronique et les Biocapteurs. "La division et la recombinaison du courant sont une propriété de base des circuits électroniques conventionnels. Nous aimerions imiter cette capacité de l'ADN, mais jusqu'à maintenant, cela a été assez difficile."

La division actuelle dans les structures d'ADN avec trois terminaux ou plus est difficile car la charge a tendance à se dissiper rapidement aux jonctions de division ou aux points de convergence. Dans la nouvelle étude, une forme spéciale, L'ADN G-quadruplex (G4) est utilisé pour améliorer les propriétés de transport de charge. Comme le nom l'indique, L'ADN G4 est composé de quatre brins d'ADN plutôt que de deux qui sont riches en nucléotide guanine.

"L'ADN est capable de conduire la charge, mais pour être utile pour la nanoélectronique, il doit être capable de diriger la charge le long de plus d'un chemin en la divisant ou en la combinant. Nous avons résolu ce problème en utilisant le quadruplex guanine (G4) dans lequel une charge peut arriver sur un duplex d'un côté de cet appareil et sortir l'un des deux duplex de l'autre côté" explique Peng Zhang, professeur adjoint de recherche en chimie à l'Université Duke et co-auteur de la nouvelle étude.

"Il s'agit de la première étape nécessaire pour transporter la charge à travers une structure de ramification constituée exclusivement d'ADN. Il est probable que d'autres étapes aboutiront à une nanoélectronique à base d'ADN réussie qui comprend des dispositifs de type transistor dans des matériaux 'préprogrammés' auto-assemblés, " dit Zhang.

Avec Tao et Zheng, l'équipe de recherche était composée des collègues de l'ASU de Tao, Limin Xiang et Yueqi Li; Ruojie Sha et Nadrian C. Seeman de NYU; et Chaoren Liu, Alexandre Balaeff, Yuqi Zhang et David N. Beratan de l'Université Duke.

Les résultats de la nouvelle étude apparaissent dans le numéro en ligne avancé de la revue Nature Nanotechnologie .

L'ADN est un matériau très attractif pour la conception et la création de nouvelles nanoélectroniques. Les quatre bases nucléotidiques de la molécule marquées A, T, C et G peuvent être programmés pour s'auto-assembler en doubles hélices emblématiques, s'emboîtant comme des pièces de puzzle assorties, Une liaison toujours avec T et C avec G. Une vaste gamme de formes d'ADN bidimensionnelles et tridimensionnelles a été synthétiquement conçue et construite sur ces principes simples.

Mais la molécule peut aussi s'assembler pour former l'ADN G4. En effet, L'ADN quadruplex naturel riche en guanine remplit un certain nombre de fonctions physiologiques importantes. De telles configurations d'ADN se produisent aux extrémités des chromosomes linéaires, dans des structures appelées télomères, qui jouent un rôle essentiel dans la régulation du vieillissement. Il a été démontré que les quadruplexes d'ADN dans les télomères diminuent l'activité de la télomérase, une enzyme responsable de la longueur des télomères et impliquée dans environ 85 pour cent de tous les cancers. Les quadruplexes G4 sont donc la cible médicamenteuse d'importantes thérapeutiques.

Dans les structures G4, L'ADN prend la forme de bases guanines empilées qui forment des liaisons hydrogène avec leurs deux voisins immédiats. La structure G4 au cœur des nouvelles expérimentations, avec ses propriétés améliorées de transport de charge, chercheurs autorisés, pour la première fois, pour concevoir des voies conductrices efficaces entre l'ADN G-quadruplex empilé et les fils à double brin qui forment les bornes pour diviser ou fusionner le flux de courant électrique.

Les efforts antérieurs pour créer une telle jonction électrique en forme de Y en utilisant uniquement de l'ADN double brin conventionnel avaient échoué, en raison des très mauvaises propriétés de transport de charges inhérentes aux points de jonction du circuit. Il a été démontré que l'utilisation de l'ADN G4 comme élément de connecteur dans les jonctions d'ADN à plusieurs extrémités améliore considérablement le transport de charge à travers les circuits d'ADN à trois et quatre terminaux.

L'étude a mesuré directement la conductance de charge à travers la nanostructure à base de G4, à l'aide d'un appareil appelé microscope à effet tunnel ou STM. La molécule d'ADN constituée du noyau G4 avec des fils double brin formant les bornes de séparation est chimiquement immobilisée entre un substrat en or et la pointe en or du dispositif STM.

La pointe du STM est amenée et hors de contact à plusieurs reprises avec la molécule, rompre et reformer la jonction tandis que le courant à travers chaque borne est enregistré. Des milliers de traces ont été collectées pour chaque molécule candidate d'ADN. L'utilisation de cette méthode STM de jonction de rupture a permis aux chercheurs de concevoir, mesurer et affiner une variété de circuits prototypes pour des propriétés de transport de charge maximales.

"Mon rôle dans ce projet était de mesurer les sorties de conductance des deux duplex d'ADN dans notre conception, " a déclaré Limin Xiang, chercheur en Biodesign. " Si vous pensez à la multiprise sur votre lieu de travail, ma tâche était de vérifier si chacun des points de vente fonctionne correctement. Étonnamment, nous avons constaté que les courants de sortie des deux duplex d'ADN sont les mêmes, avec une perte d'énergie minimale. Notre prochaine étape consiste à construire des circuits d'ADN plus complexes en utilisant cette conception comme élément de base."

L'étude a examiné des circuits en forme de Y qui répartissent la charge entre trois structures terminales (G4+3) ainsi que 4 terminaux (G4+4). En raison de subtiles distinctions dans les propriétés de transport de charge des deux circuits expérimentaux, les motifs G4+4 ont montré des valeurs de conductance considérablement plus faibles.

Ces résultats indiquent que la configuration G4+3 est un dispositif de division et de combinaison de charge plus efficace. Dans ce cas, la charge entre dans la jonction d'un terminal et sort par l'un des deux autres terminaux avec une efficacité presque égale.

L'étude marque une première étape importante dans l'établissement de structures G4 capables de transporter efficacement la charge à travers trois terminaux ou plus, une exigence essentielle pour les capacités de contrôle et de mise en réseau électronique.

En plus de doter le domaine en pleine croissance de la nanotechnologie de l'ADN de nouveaux outils, la recherche peut aider à éclairer les méthodes de la nature pour maintenir l'intégrité génétique au sein des cellules et jeter un nouvel éclairage sur une myriade de maladies liées à la dégradation des mécanismes de correction d'erreurs de l'ADN.