Les chercheurs ont placé plus de 3, 000 dispositifs moléculaires nanométriques brillants en forme de lune dans un instrument en forme de fleur pour indiquer la polarisation de la lumière. Les "lunes" dans chacun des 12 pétales pointent dans une direction différente, et ne brille que lorsqu'il est frappé par une lumière polarisée correspondant à son orientation. Le résultat final est une fleur dont les pétales s'illuminent en séquence au fur et à mesure que la polarisation de la lumière qui l'éclaire est tournée. La fleur, qui s'étend sur une distance inférieure à la largeur d'un cheveu humain, démontre que des milliers de molécules peuvent être orientées de manière fiable à la surface d'une puce. Crédit :Ashwin Gopinath/Caltech
Les ingénieurs ont développé une technique qui leur permet de placer avec précision des dispositifs microscopiques formés à partir de molécules d'ADN repliées non seulement dans un emplacement spécifique mais également dans une orientation spécifique.
Comme preuve de concept, ils ont arrangé plus de 3, 000 dispositifs moléculaires nanométriques brillants en forme de lune dans un instrument en forme de fleur pour indiquer la polarisation de la lumière. Chacun des 12 pétales pointait dans une direction différente autour du centre de la fleur, et à l'intérieur de chaque pétale, environ 250 lunes étaient alignées dans la direction du pétale. Parce que chaque lune ne brille que lorsqu'elle est frappée par une lumière polarisée correspondant à son orientation, le résultat final est une fleur dont les pétales s'illuminent en séquence au fur et à mesure que la polarisation de la lumière qui l'éclaire est tournée. La fleur, qui s'étend sur une distance inférieure à la largeur d'un cheveu humain, démontre que des milliers de molécules peuvent être orientées de manière fiable à la surface d'une puce.
Cette méthode pour placer et orienter avec précision des dispositifs moléculaires à base d'ADN peut permettre d'utiliser ces dispositifs moléculaires pour alimenter de nouveaux types de puces qui intègrent des biocapteurs moléculaires avec optique et électronique pour des applications telles que le séquençage de l'ADN ou la mesure des concentrations de milliers de protéines à une fois que.
La recherche, publié le 19 février par la revue Science , s'appuie sur plus de 15 ans de travail de Paul Rothemund de Caltech (BS '94), professeur-chercheur en bio-ingénierie, informatique et sciences mathématiques, et le calcul et les systèmes neuronaux, et ses collègues. En 2006, Rothemund a montré que l'ADN pouvait être dirigé pour se plier en des formes précises grâce à une technique baptisée origami ADN. En 2009, Rothemund et ses collègues d'IBM Research Almaden ont décrit une technique grâce à laquelle l'origami d'ADN pourrait être positionné à des emplacements précis sur des surfaces. Faire cela, ils ont utilisé un processus d'impression basé sur des faisceaux d'électrons et ont créé des patchs "collants" ayant la même taille et la même forme que l'origami. En particulier, ils ont montré que les triangles d'origami se liaient précisément à l'emplacement des plaques collantes triangulaires.
Prochain, Rothemund et Ashwin Gopinath, anciennement chercheur postdoctoral senior Caltech et maintenant professeur assistant au MIT, affiné et étendu cette technique pour démontrer que les dispositifs moléculaires construits à partir d'origami d'ADN pouvaient être intégrés de manière fiable dans des dispositifs optiques plus grands. "La barrière technologique a été de savoir comment organiser de manière reproductible un grand nombre de dispositifs moléculaires dans les bons modèles sur les types de matériaux utilisés pour les puces, " dit Rothemund.
Les molécules d'origami d'ADN avec un trou excentré se lient à des patchs collants microfabriqués assortis avec une orientation qui est indiquée par leur couleur. Cela montre que l'orientation des molécules individuelles peut être contrôlée avec les mêmes méthodes que celles utilisées pour fabriquer des puces informatiques. Crédit :Inna-Marie Strazhnik, inna-marie.com
En 2016, Rothemund et Gopinath ont montré que l'origami triangulaire portant des molécules fluorescentes pouvait être utilisé pour reproduire un 65, Version en 000 pixels de La Nuit étoilée de Vincent van Gogh. Dans ce travail, des origami d'ADN triangulaires ont été utilisés pour positionner des molécules fluorescentes dans des résonateurs optiques de la taille d'une bactérie; le placement précis des molécules fluorescentes était essentiel, car un déplacement de seulement 100 nanomètres vers la gauche ou la droite assombrirait ou éclaircirait le pixel de plus de cinq fois.
Mais la technique avait un talon d'Achille :"Parce que les triangles étaient équilatéraux et étaient libres de tourner et de se retourner, ils pouvaient coller à plat sur le patch collant triangulaire sur la surface de l'une des six manières différentes. Cela signifiait que nous ne pouvions utiliser aucun appareil nécessitant une orientation particulière pour fonctionner. Nous étions coincés avec des appareils qui fonctionneraient aussi bien une fois pointés, vers le bas, ou dans n'importe quelle direction, " dit Gopinath. Les dispositifs moléculaires destinés au séquençage de l'ADN ou à la mesure des protéines doivent absolument atterrir à l'endroit, ainsi, les anciennes techniques de l'équipe ruineraient 50 pour cent des appareils. Pour les appareils nécessitant également une orientation de rotation unique, comme les transistors, seulement 16 pour cent fonctionneraient.
Le premier problème à résoudre, alors, était de faire atterrir l'origami d'ADN de manière fiable avec le bon côté vers le haut. "C'est un peu comme garantir que le pain grillé atterrit toujours comme par magie côté beurre vers le haut lorsqu'il est jeté sur le sol, " dit Rothemund. À la surprise des chercheurs, recouvrir l'origami d'un tapis de brins d'ADN flexibles sur un côté a permis à plus de 95 % d'entre eux d'atterrir face vers le haut. Mais le problème du contrôle de la rotation demeurait. Les triangles rectangles avec trois longueurs de bord différentes ont été la première tentative des chercheurs pour une forme qui pourrait atterrir dans la rotation préférée.
Cependant, après avoir lutté pour obtenir seulement 40 pour cent des triangles rectangles pour pointer dans la bonne orientation, Gopinath a recruté des informaticiens Chris Thachuk de l'Université de Washington, co-auteur de l'article Science, et un ancien post-doctorant Caltech; et David Kirkpatrick de l'Université de la Colombie-Britannique, également co-auteur du Science papier. Leur travail consistait à trouver une forme qui ne resterait bloquée que dans l'orientation prévue, quelle que soit l'orientation dans laquelle il pourrait atterrir. La solution des informaticiens était un disque avec un trou excentré, que les chercheurs ont appelé une "petite lune". Les preuves mathématiques suggèrent que, contrairement à un triangle rectangle, les petites lunes pourraient tourner en douceur pour trouver le meilleur alignement avec leur patch collant sans se coincer. Des expériences en laboratoire ont vérifié que plus de 98 % des petites lunes trouvaient la bonne orientation sur leurs plaques collantes.
L'équipe a ensuite ajouté des molécules fluorescentes spéciales qui se coincent étroitement dans les hélices d'ADN des petites lunes, perpendiculaire à l'axe des hélices. Cela garantissait que les molécules fluorescentes à l'intérieur d'une lune étaient toutes orientées dans la même direction et brilleraient plus intensément lorsqu'elles étaient stimulées par une lumière d'une polarisation particulière. "C'est comme si chaque molécule portait une petite antenne, qui ne peut accepter l'énergie de la lumière plus efficacement que lorsque la polarisation de la lumière correspond à l'orientation de l'antenne, " dit Gopinath. Ce simple effet est ce qui a permis la construction de la fleur sensible à la polarisation.
Avec des méthodes robustes pour contrôler l'orientation haut-bas et rotationnelle de l'origami ADN, une large gamme de dispositifs moléculaires peut désormais être intégrée à moindre coût dans des puces informatiques à haut rendement pour une variété d'applications potentielles. Par exemple, Rothemund et Gopinath ont fondé une entreprise, Palamedrix, commercialiser la technologie de fabrication de puces semi-conductrices permettant l'étude simultanée de toutes les protéines pertinentes pour la santé humaine. Caltech a déposé des demandes de brevet pour le travail.
