Une équipe de scientifiques de l'Université de Columbia, Université de l'État d'Arizona, l'Université du Michigan, et le California Institute of Technology (Caltech) ont programmé un "robot" moléculaire autonome fait d'ADN pour démarrer, mouvement, tourner, et arrêtez-vous en suivant une trace ADN.

Le développement pourrait finalement conduire à des systèmes moléculaires qui pourraient un jour être utilisés pour des dispositifs médicaux thérapeutiques et des robots reconfigurables à l'échelle moléculaire, des robots constitués de nombreuses unités simples qui peuvent se repositionner ou même se reconstruire pour accomplir différentes tâches.

Un article décrivant le travail apparaît dans le numéro actuel de la revue La nature .

La vision traditionnelle d'un robot est qu'il s'agit « d'une machine qui détecte son environnement, prend une décision, et puis fait quelque chose - il agit, " dit Erik Winfree, professeur agrégé d'informatique, calcul et systèmes neuronaux, et la bio-ingénierie à Caltech.

Milan N. Stojanovic, membre du corps professoral de la Division of Experimental Therapeutics de l'Université Columbia, a dirigé le projet et s'est associé à Winfree et Hao Yan, professeur de chimie et de biochimie à l'Arizona State University et expert en nanotechnologie de l'ADN, et avec Nils G. Walter, professeur de chimie et directeur du Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center de l'Université du Michigan à Ann Arbor, pour ce qui est devenu un auto-assemblage moderne de scientifiques partageant les mêmes idées avec les domaines d'expertise complémentaires nécessaires pour s'attaquer à un problème difficile.

Réduire les robots à l'échelle moléculaire fournirait, pour les processus moléculaires, les mêmes types d'avantages que la robotique et l'automatisation classiques offrent à l'échelle macroscopique. Robots moléculaires, en théorie, pourraient être programmés pour détecter leur environnement (par exemple, la présence de marqueurs de la maladie sur une cellule), prendre une décision (que la cellule est cancéreuse et doit être neutralisée), et donner suite à cette décision (livrer une cargaison de médicaments anticancéreux).

Ou, comme les robots d'une usine moderne, ils pourraient être programmés pour assembler des produits moléculaires complexes. La puissance de la robotique réside dans le fait qu'une fois programmée, les robots peuvent effectuer leurs tâches de manière autonome, sans autre intervention humaine.

Avec cette promesse, cependant, vient un problème pratique :comment programmer une molécule pour effectuer des comportements complexes ?

"En robotique normale, le robot lui-même contient la connaissance des commandes, mais avec des molécules individuelles, vous ne pouvez pas stocker cette quantité d'informations, donc l'idée est plutôt de stocker des informations sur les commandes à l'extérieur, " dit Walter. Et tu fais ça, dit Stojanovic, "en imprégnant l'environnement de la molécule d'indices informatifs."

"Nous avons pu créer un tel environnement programmé ou "prescrit" en utilisant l'origami ADN, " explique Yan. Origami ADN, une invention de l'associé de recherche principal de Caltech Paul W. K. Rothemund, est un type de structure auto-assemblée faite d'ADN qui peut être programmée pour former des formes et des motifs presque illimités (comme des smileys ou des cartes de l'hémisphère occidental ou même des schémas électriques). Exploiter les propriétés de reconnaissance de séquence de l'appariement de bases d'ADN, Les origami d'ADN sont créés à partir d'un long brin d'ADN et d'un mélange de différents brins d'ADN synthétiques courts qui se lient et « agrafent » le long ADN dans la forme souhaitée. L'origami utilisé dans le La nature étude était un rectangle de 2 nanomètres (nm) d'épaisseur et d'environ 100 nm de côté.

Les chercheurs ont construit une piste de "miettes de pain" moléculaires sur la piste de l'origami d'ADN en enfilant des molécules d'ADN simple brin supplémentaires, ou oligonucléotides, les extrémités des agrafes. Ceux-ci représentent les signaux qui indiquent aux robots moléculaires ce qu'ils doivent faire :commencer, marche, Tourner à gauche, Tournez à droite, ou s'arrêter, par exemple, semblable aux commandes données aux robots traditionnels.

Le robot moléculaire que les chercheurs ont choisi d'utiliser - surnommé une "araignée" - a été inventé par Stojanovic il y a plusieurs années, à ce moment-là, il s'est avéré capable de s'étendre, mais non orienté, marches aléatoires sur des surfaces bidimensionnelles, manger à travers un champ de miettes de pain.

Pour construire le robot moléculaire de 4 nm de diamètre, les chercheurs ont commencé avec une protéine commune appelée streptavidine, qui a quatre poches de liaison placées symétriquement pour une fraction chimique appelée biotine. Chaque jambe de robot est un court brin d'ADN marqué à la biotine, "ainsi, nous pouvons lier jusqu'à quatre pattes au corps de notre robot, " dit Walter. " C'est une araignée à quatre pattes, », ironise Stojanovic. Trois des pattes sont constituées d'ADN enzymatique, qui est l'ADN qui se lie à et coupe une séquence particulière d'ADN. L'araignée est également équipée d'un "brin de départ" - la quatrième patte - qui attache l'araignée au site de départ (un oligonucléotide particulier sur la piste de l'origami d'ADN). "Une fois que le robot est libéré de son site de départ par un brin de déclenchement, il suit la piste en se liant à puis en coupant les brins d'ADN s'étendant hors des brins discontinus sur la piste moléculaire, ", explique Stojanovic.

"Une fois qu'il se fend, " ajoute Yan, "le produit va se dissocier, et la jambe commencera à chercher le prochain substrat." De cette façon, l'araignée est guidée sur le chemin tracé par les chercheurs. Finalement, explique Yan, "le robot s'arrête lorsqu'il rencontre un morceau d'ADN auquel il peut se lier mais qu'il ne peut pas couper, " qui agit comme une sorte de papier mouche.

Bien que d'autres marcheurs d'ADN aient été développés auparavant, ils ne se sont jamais aventurés plus loin que trois pas environ. "Celui-ci, " dit Yan, "peut marcher jusqu'à environ 100 nanomètres. Cela fait environ 50 pas."

"Ce n'était pas en soi une surprise, " ajoute Winfree, « depuis que le travail original de Milan a suggéré que les araignées peuvent effectuer des centaines, voire des milliers d'étapes processives. Ce qui est excitant ici, c'est que non seulement nous pouvons directement confirmer le mouvement à plusieurs étapes des araignées, mais nous pouvons diriger les araignées pour suivre un chemin spécifique, et ils le font tout seuls, de manière autonome."

En réalité, utilisant la microscopie à force atomique et la microscopie à fluorescence monomoléculaire, les chercheurs ont pu observer directement des araignées rampant sur l'origami, montrant qu'ils étaient capables de guider leurs robots moléculaires pour suivre quatre chemins différents.

« Surveiller cela au niveau d'une seule molécule est très difficile, " dit Walter. " C'est pourquoi nous avons un programme interdisciplinaire, fonctionnement multi-instituts. Nous avons des gens qui construisent l'araignée, caractérisant l'araignée de base. Nous avons la capacité d'assembler la piste, et analyser le système avec une imagerie à molécule unique. C'est le défi technique." Les défis scientifiques pour l'avenir, Yan dit, "sont comment faire marcher l'araignée plus vite et comment la rendre plus programmable, afin qu'il puisse suivre de nombreuses commandes sur la piste et prendre plus de décisions, mettre en œuvre un comportement logique.

« Dans le système actuel, " dit Stojanovic, "les interactions sont limitées au marcheur et à l'environnement. Notre prochaine étape est d'ajouter un deuxième marcheur, ainsi les marcheurs peuvent communiquer entre eux directement et via l'environnement. Les araignées travailleront ensemble pour atteindre un objectif. » Ajoute Winfree, "La clé est de savoir comment apprendre à programmer des comportements de niveau supérieur grâce à des interactions de niveau inférieur."

Une telle collaboration pourrait finalement servir de base au développement de robots reconfigurables à l'échelle moléculaire - des machines compliquées composées de nombreuses unités simples qui peuvent se réorganiser sous n'importe quelle forme - pour accomplir différentes tâches, ou se réparer s'ils cassent. Par exemple, il peut être possible d'utiliser les robots pour des applications médicales. "L'idée est de faire construire une structure par des robots moléculaires ou de réparer des tissus endommagés, " dit Stojanovic.

"Vous pourriez imaginer l'araignée portant un médicament et se liant à une surface bidimensionnelle comme une membrane cellulaire, trouver les récepteurs et, en fonction de l'environnement local, " ajoute Yan, "déclenchant l'activation de ce médicament."

De telles applications, tout en intriguant, sont dans des décennies ou plus. "Cela peut être 100 ans dans le futur, ", dit Stojanovic. "Nous sommes si loin de ça en ce moment."

"Mais, " Walter ajoute, "tout comme les chercheurs s'auto-assemblent aujourd'hui pour résoudre un problème difficile, les nanorobots moléculaires pourraient le faire à l'avenir."