Alors que l'ADN est souvent idéalisé comme la « molécule de la vie, " c'est aussi un polymère très sophistiqué qui peut être utilisé pour des matériaux de nouvelle génération. Au-delà du fait qu'il peut stocker des informations, d'autres aspects fascinants de l'ADN sont ses propriétés géométriques et topologiques, tels que le nouage et le super-enroulement. En effet, un peu comme un cordon téléphonique torsadé, L'ADN se trouve souvent enroulé à l'intérieur des bactéries et d'autres cellules et même noué dans les virus. Maintenant, une collaboration de scientifiques des universités d'Edimbourg, San Diego et Vienne ont commencé à exploiter ces propriétés pour fabriquer des fluides complexes à base d'ADN « topologiquement accordables » et des matériaux mous avec des applications potentielles dans l'administration de médicaments et la régénération tissulaire, comme publié dans Avancées scientifiques .

La forme bien connue en double hélice de l'ADN a de profondes implications sur son comportement. Une molécule d'ADN linéaire, c'est une molécule d'ADN avec deux extrémités, peut librement tordre et tourner. Par contre, joindre les deux extrémités pour former un cercle d'ADN implique que toute torsion excessive ou insuffisante de la double hélice reste "topologiquement verrouillée, " c'est à dire., la torsion supplémentaire ne peut pas être enlevée sans couper la molécule. Les torsions excessives ou inférieures ont des conséquences intéressantes sur la façon dont les molécules d'ADN s'arrangent dans l'espace, en particulier, ils s'enroulent et se bouclent sur eux-mêmes comme un vieux cordon téléphonique dans des conformations dites superenroulées (Fig. 1). Le flambage de l'ADN soulage le stress de la sur/sous torsion, et diminue ainsi la taille globale de la molécule. Pour cette raison, on pense que le superenroulement est un mécanisme naturel utilisé par les cellules pour emballer leur génome dans de minuscules espaces. Alors que la plus petite taille conduit naturellement à une diffusion plus rapide des molécules d'ADN en solution, par ex. dans l'eau ou à travers les pores du gel, en raison de la traînée inférieure, ce comportement bien compris ne se produit pas lorsque de nombreuses molécules d'ADN sont emballées et enchevêtrées comme des spaghettis dans un bol.

"Nous avons effectué des simulations informatiques à grande échelle de solutions denses de molécules d'ADN avec différents degrés de superenroulement et avons trouvé plusieurs résultats surprenants, " explique Jan Smrek de l'Université de Vienne, le premier auteur de l'étude. "Contrairement au cas dilué, plus les anneaux d'ADN sont super-enroulés, plus leur taille est grande. » Puisque les molécules doivent s'éviter, leurs formes adoptent des conformations fortement asymétriques et ramifiées qui occupent plus de volume que leurs homologues non super enroulés. Curieusement, et contrairement aux attentes, "les molécules d'ADN plus grosses produisent toujours une diffusion plus rapide." La diffusion plus rapide signifie que la solution a une viscosité plus faible.

Les molécules d'ADN superenroulées présentes naturellement dans les bactéries sont appelées plasmides. In vivo, les cellules ont des protéines spéciales appelées topoisomérase qui peuvent réduire la quantité de superenroulement dans les plasmides. "Grâce à ces protéines, qui peuvent être purifiées et utilisées en laboratoire, nous sommes en mesure de contrôler l'étendue du superenroulement dans les plasmides d'ADN intriqués et d'étudier leur dynamique à l'aide de colorants fluorescents. Nous avons été étonnés de découvrir que, En effet, Plasmides d'ADN qui ont été traités avec la topoisomérase, et donc avec un faible superenroulement, sont plus lents que leurs homologues très super enroulés, " explique Rae Robertson Anderson, qui a dirigé les expériences à l'Université de San Diego.

Pour expliquer la dynamique plus rapide surprenante, les scientifiques ont utilisé des simulations à grande échelle sur des superordinateurs pour quantifier le degré d'enchevêtrement des molécules dans les solutions. Alors qu'il est connu qu'un polymère en forme d'anneau - plutôt similaire à un plasmide d'ADN circulaire - peut être enfilé par un autre anneau, ce qui signifie que ce dernier peut percer l'œil du premier, on ne savait pas comment ce type d'enchevêtrement avait un impact sur le mouvement de l'ADN superenroulé. Grâce aux simulations, les scientifiques ont découvert qu'un degré élevé de superenroulement diminue la zone pénétrable de chaque molécule résultant, à son tour, en moins de filetages entre les plasmides et en fin de compte donnant une solution avec une viscosité plus faible. Néanmoins, les plasmides pourraient toujours s'enrouler les uns autour des autres et se contraindre les uns les autres sans s'enfiler. Encore, le superenroulement rigidifie les conformations et les rend ainsi moins sujettes à se plier et à s'entrelacer étroitement, ce qui réduit aussi ce type d'enchevêtrement.

Davide Michieletto de l'Université d'Édimbourg déclare :"Non seulement avons-nous trouvé ces nouveaux effets dans les simulations, mais nous avons également démontré expérimentalement ces tendances et développé une théorie les décrivant quantitativement. En changeant le superenroulement, nous pouvons ajuster à volonté la viscosité de ces fluides complexes. Nous comprenons maintenant beaucoup mieux le lien entre la géométrie adaptative des molécules et les propriétés des matériaux qui en résultent. Ce n'est pas seulement passionnant du point de vue fondamental, mais promet également des applications utiles. En utilisant des enzymes dédiées, comme la topoisomérase, on peut concevoir des matériaux souples commutables à base d'ADN avec des propriétés ajustables. »