Un exemple d'origami ADN. Crédit : Institut national des normes et de la technologie
L'ADN n'est pas seulement le modèle de la vie, il est devenu l'épine dorsale de la fabrication de minuscules structures qui peuvent être insérées dans le corps humain pour diagnostiquer et traiter les maladies. En particulier, les chercheurs jettent leur dévolu sur une technique connue sous le nom d'origami ADN, dans lequel ils assemblent méticuleusement des centaines de brins d'ADN pour construire une collection lilliputienne de structures qui pourraient inclure des conteneurs d'administration de médicaments, biocapteurs et autres dispositifs biocompatibles.
Dans les efforts qui promettent d'améliorer considérablement ce processus, Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont maintenant trouvé un moyen d'améliorer considérablement la précision des informations clés sur la façon dont la chaleur affecte la stabilité des structures d'ADN repliées.
Pour fonctionner de manière fiable, ces structures, seulement quelques dizaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) de longueur, doit être soigneusement façonné dans l'ordre, par exemple, pour livrer des médicaments à des cibles spécifiques. Mais les forces - les liaisons hydrogène - qui lient des morceaux d'ADN ensemble pour former la double hélice bien connue dépendent à la fois de la température et de leur environnement local.
Pour déterminer comment différents brins d'ADN réagissent aux changements de température, les chercheurs s'appuient sur une série de mesures qui forment un graphique connu sous le nom de courbe de fusion de l'ADN. La courbe révèle, par exemple, la température à laquelle la moitié du brin a "fondu, " ou démêlé. Il montre également la quantité de chaleur que les brins doivent absorber pour élever leur température d'un degré C. En révélant ces propriétés thermiques et d'autres des brins, la courbe fournit aux scientifiques les connaissances nécessaires pour concevoir des conceptions durables, des structures plus complexes faites à partir d'ADN.
Aussi importante que soit la courbe de fusion de l'ADN, il reste un problème de longue date pour le mesurer avec précision. En raison des effets de fond et des sources inconnues de variabilité, des dizaines d'échantillons d'ADN identiques auront des courbes de fusion différentes, limitant la capacité des scientifiques à extraire des informations significatives.
Les chercheurs du NIST ont conçu un nouvel algorithme mathématique qui tient compte automatiquement de ces effets inconnus, permettant aux scientifiques de tirer pleinement parti de la courbe de fusion.
En tant que scientifiques qui ont étudié plusieurs façons de perfectionner l'origami d'ADN, Les chercheurs du NIST, Jacob Majikes et Alex Liddle, n'étaient que trop familiers avec les inexactitudes qui affectent la courbe de fusion de l'ADN. En principe, si eux et d'autres chercheurs pouvaient reproduire avec précision toutes les conditions de laboratoire dans lesquelles ils ont mesuré la courbe, les incertitudes pourraient être réduites.
Mais étant donné les quantités infimes d'ADN dans les expériences - pas plus grosses qu'une goutte d'eau - c'était difficile à faire dans la pratique. Alors Majikes et Liddle ont contacté un mathématicien du NIST, Anthony Kearsley, et son collaborateur, le physicien du NIST Paul Patrone, dans l'espoir de trouver une solution mathématique.
Les deux graphiques montrent les mesures de la courbe de fusion de l'ADN, qui caractérise la stabilité d'une séquence particulière d'ADN lorsqu'elle est soumise à la chaleur. L'image à gauche montre que les mesures, même si elles sont réalisées sur la même séquence d'ADN, donnent des courbes différentes en raison des incertitudes dans le processus de mesure. L'image à droite montre que lorsque les chercheurs appliquent la transformation mathématique appropriée, connue sous le nom de transformation affine, les variations des courbes de fusion de l'ADN sont supprimées et elles s'effondrent toutes pour former la même courbe, comme voulu. Crédit :NIST
Pour Kearsley et Patrone, le défi était irrésistible :la véritable courbe de fusion de l'ADN était cachée dans chaque série de mesures; le défi était de trouver un moyen de le révéler. Aucune théorie mathématique connue ne décrit complètement la courbe de fusion, les chercheurs ont donc dû trouver un moyen de supprimer les incertitudes de la courbe de fusion en utilisant uniquement les données expérimentales. Avec si peu d'informations, cela signifiait qu'ils devaient être créatifs.
En cherchant un algorithme qui résoudrait ce problème, l'équipe a reconnu que les distorsions des véritables courbes de fusion de l'ADN se comportaient de manière simple. C'est-à-dire, les distorsions s'apparentaient à un type spécial de miroir amusant - un miroir qui préservait l'espacement relatif entre les points de données même lorsqu'il contractait ou élargissait la courbe, et cela a permis aux lignes parallèles de rester parallèles. Pour essayer de corriger ces effets, les scientifiques ont appliqué un outil mathématique connu sous le nom de transformation affine.
Kearsley et Patrone recherchaient une transformation affine particulière, qui rendrait chaque ensemble de données conforme à tous les autres, afin qu'ils se ressemblent essentiellement. Mais pour trouver cette transformation, en utilisant une technique dite d'optimisation contrainte, les scientifiques ont dû s'éloigner du tableau et s'immerger dans la mécanique du laboratoire d'ADN.
Ni Kearsley ni Patrone n'avaient même entendu parler de l'origami ADN, sans parler des mesures nécessaires pour assembler la courbe de fusion. Ils ont posé des dizaines de questions sur chaque composant de l'expérience à l'échelle nanométrique, déterminer quelles parties étaient importantes à modéliser et lesquelles ne l'étaient pas. Après des semaines de calculs théoriques, Patrone a eu sa première chance de voir l'expérience réelle. Il regarda avec étonnement la configuration du laboratoire, avec son réseau 8x12 de 96 petits puits, chacun contenant exactement la même séquence d'ADN à partir de laquelle Majikes et Liddle avaient enregistré 96 courbes de fusion d'ADN différentes.
Armé de plus qu'assez de données de laboratoire, Kearsley et Patrone ont étoffé le problème d'optimisation qui, selon eux, fonctionnerait le mieux pour supprimer les erreurs. Ensuite, ils ont appliqué l'algorithme à chacune des 96 courbes et ont observé ce qui se passait.
Sur un écran d'ordinateur, la multitude de courbes, déformé de différentes manières, est devenu indiscernable, chacun traçant la même forme, hauteur et extrémités. Les 96 courbes s'étaient effondrées pour devenir une seule courbe de fusion d'ADN.
"Nous étions convaincus d'avoir résolu le problème, " a déclaré Kearsley. Les chercheurs rapportent leurs conclusions dans le volume 607 de Biochimie analytique .
Les scientifiques ont utilisé l'origami ADN pour fabriquer des nanorobots qui effectuent des opérations informatiques et des tâches préprogrammées à l'intérieur d'organismes vivants. Ils se sont également appuyés sur l'origami ADN pour créer des conteneurs miniatures d'administration de médicaments qui ne s'ouvrent que lorsqu'ils s'identifient et se fixent aux cellules infectées.
L'équipe fait maintenant connaître le succès de sa solution, alerter les chercheurs qui pratiquent l'origami d'ADN qu'il est possible de mesurer avec précision la courbe de fusion et de guider la croissance des structures d'origami d'ADN. Tout aussi important, dit Patron, la même technique pourrait être appliquée à d'autres problèmes biophysiques dans lesquels les vraies données sont masquées par des types d'erreurs similaires. Les chercheurs étudient comment améliorer la précision des expériences dans lesquelles les cellules humaines traversent de minuscules détecteurs de cancer.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
