Une technique d'imagerie avancée révèle de nouveaux détails structurels de l'ADN-S, ADN en forme d'échelle qui se forme lorsque la molécule subit une tension extrême. Ce travail mené aux laboratoires nationaux de Sandia et à l'université de Vrije aux Pays-Bas fournit la première preuve expérimentale que l'ADN-S contient des paires de bases fortement inclinées.

L'appariement et l'empilement prévisibles des paires de bases d'ADN aident à définir la forme en double hélice de la molécule. Comprendre comment les paires de bases se réalignent lorsque l'ADN est étiré pourrait fournir un aperçu d'une gamme de processus biologiques et améliorer la conception et les performances des nanodispositifs construits avec de l'ADN. Les paires de bases inclinées dans l'ADN-S étiré ont été prédites à l'aide de simulations informatiques, mais jamais démontré de manière concluante dans les expériences jusqu'à présent, selon un article récent dans Science Advances.

L'ADN est plus communément connu comme le vecteur moléculaire de l'information génétique. Cependant, dans les laboratoires de recherche du monde entier, il a également une autre utilisation :matériau de construction pour les dispositifs nanométriques. Pour faire ça, les scientifiques préparent des séquences d'ADN simple brin générées par ordinateur afin que certaines sections forment des paires de bases avec d'autres sections. Cela oblige le brin à se plier et à se plier comme un origami. Les chercheurs ont utilisé ce principe pour plier l'ADN en smileys microscopiques, des nanomachines avec des charnières et des pistons mobiles et des matériaux "intelligents" qui s'adaptent spontanément aux changements de l'environnement chimique environnant.

« Pour construire un avion ou un pont, il est important de connaître la structure, la résistance et l'élasticité de chaque matériau qui le compose, " a déclaré Adam Backer, un scientifique optique à Sandia et auteur principal de l'étude. "La même chose est vraie lors de la conception de nanostructures avec de l'ADN."

Alors que l'on en sait beaucoup sur les propriétés mécaniques de la double hélice de l'ADN, des mystères subsistent quant aux détails de sa forme lorsque la molécule est étirée en laboratoire pour former la structure en échelle de l'ADN-S. Les méthodes standard de visualisation de la structure de l'ADN ne peuvent pas suivre les changements structurels pendant que la molécule se détord.

Voir l'ADN étiré

Pour caractériser la structure et l'extensibilité de l'ADN-S, Backer a travaillé avec des collègues du groupe de recherche Physics of Living Systems au LaserLaB Amsterdam à l'Université de Vrije. Les chercheurs ont décrit leur processus dans l'article de journal. À l'aide d'une instrumentation développée par ses collègues, Backer a d'abord attaché une perle microscopique à chaque extrémité d'un court morceau d'ADN viral. Ces billes servaient de poignées pour manipuler une seule molécule d'ADN.

Prochain, les chercheurs ont piégé l'ADN perlé dans une chambre étroite remplie de liquide à l'aide de deux faisceaux laser étroitement focalisés. Parce que les billes restent piégées à l'intérieur des faisceaux laser, les chercheurs pourraient déplacer les billes dans la chambre en redirigeant les faisceaux laser. Cela leur a permis d'étirer l'ADN attaché pour former l'ADN-S. Cette technique de manipulation de particules microscopiques, appelé pince à épiler optique, a également fourni un contrôle précis sur la quantité de force d'étirement appliquée à une seule molécule d'ADN.

Cependant, les changements structurels se produisant dans la molécule d'ADN étirée étaient trop petits pour être directement observés avec un microscope optique standard. Pour relever ce défi, Backer a aidé ses collègues à combiner une méthode d'imagerie appelée microscopie à polarisation de fluorescence avec la pince à épiler optique. D'abord, ils ont ajouté petit, molécules de colorant fluorescent en forme de bâtonnets à la solution contenant de l'ADN piégé optiquement. Dans l'ADN non étiré, les molécules de colorant se prennent en sandwich entre des ensembles voisins de paires de bases et s'alignent perpendiculairement à l'axe central de la double hélice. Si une force d'étirement fait basculer les paires de bases d'ADN, les colorants s'inclineraient également.

Prochain, les chercheurs ont utilisé les signaux fluorescents des colorants pour déterminer si les paires de bases dans l'ADN étiré étaient inclinées. Les colorants fluorescents émettent une lumière fluorescente verte lorsqu'ils interagissent avec les ondes lumineuses d'un faisceau laser pointant le long du même axe que les molécules de colorant. Les chercheurs ont modifié l'orientation des ondes lumineuses en faisant pivoter la polarisation d'un faisceau laser sous différents angles. Puis, ils ont étiré l'ADN et surveillé l'apparition de signaux fluorescents verts sous le microscope. A partir de ces mesures, et des méthodes d'analyse computationnelle développées à Sandia, les chercheurs ont déterminé que les colorants, et donc les paires de bases, aligné à un angle de 54 degrés par rapport à l'axe central de l'ADN.

"Cette expérience fournit la preuve la plus directe à ce jour soutenant l'hypothèse que l'ADN-S contient des paires de bases inclinées, " a déclaré Backer. " Pour acquérir cette compréhension fondamentalement nouvelle de l'ADN, il était nécessaire de combiner un certain nombre de technologies de pointe et de rassembler des scientifiques de différentes disciplines techniques pour travailler vers un objectif commun. »

Il existe de nombreuses spéculations parmi les scientifiques selon lesquelles des structures ressemblant à l'ADN-S peuvent se former au cours des activités quotidiennes des cellules humaines, mais, maintenant, le but biologique de l'ADN-S est encore inconnu. L'ADN-S pourrait faciliter la réparation de l'ADN endommagé ou brisé, aider à se prémunir contre la mort cellulaire et le cancer. Backer espère que cette compréhension plus claire des principes physiques régissant la déformation de l'ADN guidera d'autres recherches sur le rôle de l'ADN-S dans les cellules.

Lorsque Backer a rejoint Sandia en tant que Truman Fellow en novembre 2016, il a eu l'opportunité de lancer un programme de recherche indépendant de sa propre conception. Il avait développé une méthode de microscopie à polarisation pendant ses études supérieures à l'Université de Stanford et pensait que cette technique avait du potentiel. A déclaré Backer:"Chez Sandia, je voulais pousser cette technique aussi loin qu'elle pouvait aller. Le fait que ce travail ait conduit à des résultats potentiellement pertinents pour des domaines tels que la biologie et la nanotechnologie a été extraordinaire."