Des chercheurs du MIT et de l'Arizona State University ont conçu un programme informatique qui permet aux utilisateurs de traduire n'importe quel dessin de forme libre en un structure nanométrique constituée d'ADN.

Jusqu'à maintenant, la conception de telles structures a nécessité une expertise technique qui met le processus hors de portée de la plupart des gens. En utilisant le nouveau programme, n'importe qui peut créer une nanostructure d'ADN de n'importe quelle forme, pour des applications en biologie cellulaire, photonique, et la détection et l'informatique quantiques, parmi beaucoup d'autres.

"Ce travail permet à quiconque de dessiner littéralement n'importe quelle forme en 2D et de la convertir automatiquement en origami d'ADN, " dit Mark Bathe, professeur agrégé de génie biologique au MIT et auteur principal de l'étude.

Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le numéro du 4 janvier de Avancées scientifiques , et le programme, appelé PERDIX, est disponible en ligne. Les principaux auteurs de l'article sont Hyungmin Jun, un post-doctorant MIT, et Fei Zhang, professeur adjoint de recherche à l'Arizona State University. Les autres auteurs sont l'associé de recherche du MIT Tyson Shepherd, récent doctorat du MIT. bénéficiaire Sakul Ratanalert, Xiaodong Qi, chercheur adjoint de l'ASU, et le professeur de l'ASU Hao Yan.

Conception automatisée

Origami ADN, la science du pliage de l'ADN en de minuscules structures, née au début des années 80, lorsque Ned Seeman de l'Université de New York a proposé de tirer parti des capacités d'appariement de bases de l'ADN pour créer des arrangements moléculaires arbitraires. En 2006, Paul Rothemund de Caltech a créé le premier échafaudage, structures d'ADN bidimensionnelles, en tissant un long brin d'ADN (l'échafaudage) à travers la forme de telle sorte que les brins d'ADN appelés « agrafes » s'y hybrident pour aider la structure globale à conserver sa forme.

D'autres ont ensuite utilisé une approche similaire pour créer des structures d'ADN tridimensionnelles complexes. Cependant, tous ces efforts ont nécessité une conception manuelle compliquée pour acheminer l'échafaudage à travers toute la structure et pour générer les séquences des brins d'agrafes. En 2016, Bathe et ses collègues ont développé un moyen d'automatiser le processus de génération d'une structure d'ADN polyédrique en 3D, et dans cette nouvelle étude, ils ont entrepris d'automatiser la conception de structures d'ADN 2-D arbitraires.

Pour y parvenir, ils ont développé une nouvelle approche mathématique du processus de routage de l'échafaudage simple brin à travers toute la structure pour former la forme correcte. Le programme informatique résultant peut prendre n'importe quel dessin de forme libre et le traduire en séquence d'ADN pour créer cette forme et en séquences pour les brins de base.

La forme peut être esquissée dans n'importe quel programme de dessin informatique, puis convertie en un fichier de conception assistée par ordinateur (CAO), qui est introduit dans le programme de conception de l'ADN. "Une fois que vous avez ce fichier, tout est automatique, un peu comme l'impression, mais ici l'encre c'est l'ADN, " dit Bathe.

Une fois les séquences générées, l'utilisateur peut les commander pour fabriquer facilement la forme spécifiée. Dans ce document, les chercheurs ont créé des formes dans lesquelles tous les bords sont constitués de deux duplex d'ADN, mais ils ont également un programme de travail qui peut utiliser six duplex par bord, qui sont plus rigides. L'outil logiciel correspondant pour les polyèdres 3D, appelé TALOS, est disponible en ligne et sera publié prochainement dans la revue ACS Nano. Les formes, dont la taille varie de 10 à 100 nanomètres, peut rester stable pendant des semaines ou des mois, en suspension dans une solution tampon.

« Le fait que nous puissions les concevoir et les fabriquer de manière très simple permet de résoudre un goulot d'étranglement majeur dans notre domaine, " Dit Bathe. « Maintenant, le domaine peut évoluer vers des groupes beaucoup plus larges de personnes dans l'industrie et le milieu universitaire, capables de fonctionnaliser les structures d'ADN et de les déployer pour diverses applications. »

Modèles à l'échelle nanométrique

Parce que les chercheurs ont un contrôle si précis sur la structure des particules d'ADN synthétique, ils peuvent attacher une variété d'autres molécules à des emplacements spécifiques. Cela pourrait être utile pour modéliser des antigènes dans des modèles à l'échelle nanométrique pour faire la lumière sur la façon dont les cellules immunitaires reconnaissent et sont activées par des arrangements spécifiques d'antigènes trouvés sur les virus et les bactéries.

« La façon dont les modèles d'antigènes à l'échelle nanométrique sont reconnus par les cellules immunitaires est un domaine très mal compris de l'immunologie, " Dit Bathe. " Attacher des antigènes à des surfaces d'ADN structurées pour les afficher dans des modèles organisés est un moyen puissant de sonder cette biologie. "

Une autre application clé est la conception de circuits de récolte de lumière qui imitent les complexes photosynthétiques trouvés dans les plantes. Pour y parvenir, les chercheurs attachent des colorants sensibles à la lumière connus sous le nom de chromophores aux échafaudages d'ADN. En plus de récolter la lumière, de tels circuits pourraient également être utilisés pour effectuer une détection quantique et des calculs rudimentaires. En cas de succès, ce seraient les premiers circuits de calcul quantique pouvant fonctionner à température ambiante, dit Bathe.