En 2006, Paul Rothemund de Caltech (BS '94) - maintenant professeur de recherche en bio-ingénierie, informatique et sciences mathématiques, et le calcul et les systèmes neuronaux - ont développé une méthode pour plier un long brin d'ADN dans une forme prescrite. La technique, surnommé l'origami ADN, a permis aux scientifiques de créer des structures d'ADN auto-assemblantes qui pourraient porter n'importe quel motif spécifié, comme un smiley de 100 nanomètres de large.

L'origami ADN a révolutionné le domaine de la nanotechnologie, ouvrant des possibilités de construction de minuscules dispositifs moléculaires ou de matériaux programmables "intelligents". Cependant, certaines de ces applications nécessitent des structures d'origami d'ADN beaucoup plus grandes.

Maintenant, scientifiques du laboratoire de Lulu Qian, professeur assistant de bio-ingénierie à Caltech, ont développé une méthode peu coûteuse par laquelle l'origami d'ADN s'auto-assemble en grands réseaux avec des motifs entièrement personnalisables, créer une sorte de toile qui peut afficher n'importe quelle image. Pour le démontrer, l'équipe a créé la plus petite reconstitution au monde de la Joconde de Léonard de Vinci, à partir de l'ADN.

Le travail est décrit dans un article paru dans le numéro du 7 décembre de la revue La nature .

Alors que l'ADN est peut-être mieux connu pour coder l'information génétique des êtres vivants, la molécule est également un excellent bloc de construction chimique. Une molécule d'ADN simple brin est composée de molécules plus petites appelées nucléotides - en abrégé A, T, C, et G—arrangé en une chaîne, ou séquence. Les nucléotides d'une molécule d'ADN simple brin peuvent se lier à ceux d'un autre simple brin pour former un ADN double brin, mais les nucléotides ne se lient que de manière très spécifique :un nucléotide A avec un T ou un nucléotide C avec un G. Ces « règles » strictes d'appariement des bases permettent de concevoir des origami d'ADN.

Pour faire un seul carré d'origami ADN, il suffit d'un long brin simple d'ADN et de nombreux brins simples plus courts, appelés agrafes, conçus pour se lier à plusieurs endroits désignés sur le long brin. Lorsque les agrafes courtes et le long brin sont combinés dans un tube à essai, les agrafes rapprochent les régions du long brin, l'amenant à se replier sur lui-même dans la forme désirée. Une grande toile d'ADN est assemblée à partir de nombreuses petites tuiles d'origami carrées, comme assembler un puzzle. Les molécules peuvent être sélectivement attachées aux agrafes afin de créer un motif en relief qui peut être vu en utilisant la microscopie à force atomique.

L'équipe de Caltech a développé un logiciel capable de prendre une image telle que la Joconde, divisez-le en petites sections carrées, et déterminer les séquences d'ADN nécessaires pour constituer ces carrés. Prochain, leur défi était de faire en sorte que ces sections s'auto-assemblent en une superstructure qui recrée la Joconde.

"Nous pourrions fabriquer chaque tuile avec des agrafes de bord uniques afin qu'elles ne puissent se lier qu'à certaines autres tuiles et s'auto-assembler dans une position unique dans la superstructure, " explique Grigori Tikhomirov, chercheur postdoctoral senior et auteur principal de l'article, "mais alors nous devrions avoir des centaines d'arêtes uniques, ce qui serait non seulement très difficile à concevoir mais aussi extrêmement coûteux à synthétiser. Nous voulions n'utiliser qu'un petit nombre d'agrafes de bord différentes, tout en plaçant tous les carreaux aux bons endroits."

La clé pour ce faire était d'assembler les tuiles par étapes, comme assembler de petites régions d'un puzzle, puis les assembler pour créer des régions plus grandes avant de finalement assembler les plus grandes régions pour créer le puzzle terminé. Chaque mini puzzle utilise les mêmes quatre bords, mais parce que ces puzzles sont assemblés séparément, il n'y a aucun risque, par exemple, d'une tuile d'angle se fixant dans le mauvais coin. L'équipe a appelé la méthode "assemblage fractal" car le même ensemble de règles d'assemblage est appliqué à différentes échelles.

"Une fois que nous avons synthétisé chaque tuile individuelle, nous plaçons chacun dans son propre tube à essai pour un total de 64 tubes, " dit Philip Petersen, un étudiant diplômé et co-premier auteur de l'article. "Nous savons exactement quelles tuiles sont dans quels tubes, nous savons donc comment les combiner pour assembler le produit final. D'abord, nous combinons le contenu de quatre tubes particuliers jusqu'à ce que nous obtenions 16 carrés deux par deux. Ensuite, ceux-ci sont combinés d'une certaine manière pour obtenir quatre tubes chacun avec un carré de quatre par quatre. Et puis les quatre derniers tubes sont combinés pour créer un grand, carré de huit sur huit composé de 64 tuiles. Nous concevons les bords de chaque carreau de manière à savoir exactement comment ils vont se combiner."

La structure finale de l'équipe Qian était 64 fois plus grande que la structure originale de l'origami d'ADN conçue par Rothemund en 2006. Remarquablement, grâce au recyclage des mêmes interactions de bord, le nombre de brins d'ADN différents requis pour l'assemblage de cette superstructure d'ADN était à peu près le même que pour l'origami original de Rothemund. Cela devrait rendre la nouvelle méthode tout aussi abordable, selon Qian.

"La nature hiérarchique de notre approche permet de n'utiliser qu'un ensemble restreint et constant de blocs de construction uniques, dans ce cas des brins d'ADN avec des séquences uniques, construire des structures de tailles croissantes et, en principe, un nombre illimité de tableaux différents, " dit Tikhomirov. " Cette approche économique consistant à construire plus avec moins est similaire à la façon dont nos corps sont construits. Toutes nos cellules ont le même génome et sont construites en utilisant le même ensemble de blocs de construction, tels que les acides aminés, les glucides, et les lipides. Cependant, via une expression génétique variable, chaque cellule utilise les mêmes blocs de construction pour construire des machines différentes, par exemple, cellules musculaires et cellules de la rétine."

L'équipe a également créé un logiciel pour permettre aux scientifiques du monde entier de créer des nanostructures d'ADN à l'aide d'un assemblage fractal.

"Pour rendre notre technique facilement accessible à d'autres chercheurs intéressés par l'exploration d'applications utilisant des nanostructures d'ADN plates à l'échelle micrométrique, nous avons développé un outil logiciel en ligne qui convertit l'image souhaitée par l'utilisateur en brins d'ADN et en protocoles de laboratoire humide, " dit Qian. " Le protocole peut être lu directement par un robot de manipulation de liquide pour mélanger automatiquement les brins d'ADN ensemble. La nanostructure de l'ADN peut être assemblée sans effort."

À l'aide de cet outil logiciel en ligne et des techniques de manipulation automatique des liquides, plusieurs autres motifs ont été conçus et assemblés à partir de brins d'ADN, y compris un portrait grandeur nature d'une bactérie et un portrait de la taille d'une bactérie d'un coq.

"D'autres chercheurs ont déjà travaillé sur la fixation de diverses molécules telles que des polymères, protéines, et des nanoparticules à des canevas d'ADN beaucoup plus petits dans le but de construire des circuits électroniques avec des caractéristiques minuscules, fabrication de matériaux avancés, ou étudier les interactions entre produits chimiques ou biomolécules, " dit Petersen. " Notre travail leur donne une toile encore plus grande sur laquelle s'appuyer. "