C'est le design de la bande DNA Möbius. L'ADN viral simple brin est utilisé comme échafaudage et 164 segments courts d'ADN sont utilisés comme brins de base, pour créer la nanostructure. La forme de Möbius est composée de onze doubles hélices, assemblés en parallèle (à gauche). Chaque longueur à double hélice contient une torsion de 180 degrés le long de son axe central, avant qu'il ne se reconnecte de façon transparente avec lui-même. L'hélice centrale, (vu en rouge) cercles autour de la longueur de la bande une fois. Les autres hélices tournent deux fois, tout en tournant autour de l'hélice centrale de 180 degrés avant de se reconnecter pour fermer la boucle de Möbius. (Centre) Un petit segment de la bande avec les détails des hélices indiqués. Les brins d'échafaudage sont vus en bleu et les brins d'agrafes sont de couleurs différentes. Pour créer le Möbius, 20,5 unités comme celle-ci ont été utilisées, avec le motif de pliage précis préprogrammé grâce à la conception d'un appariement de bases de nucléotides approprié. (À droite) Image de microscopie à force atomique. Crédit :Nature Nanotechnologie
L'énigmatique bande de Mobius a longtemps été un objet de fascination, apparaissant dans de nombreuses œuvres d'art, le plus célèbre est une gravure sur bois du Hollandais M.C. Escher, dans laquelle une tribu de fourmis traverse l'unique forme, surface sans fin.
Scientifiques du Biodesign Institute de l'Arizona State University et du Département de chimie et de biochimie, dirigé par Hao Yan et Yan Liu, ont maintenant reproduit la forme à une échelle remarquablement petite, joindre des segments d'ADN en forme de tresse pour créer des structures de Möbius mesurant seulement 50 nanomètres de diamètre, à peu près la largeur d'une particule virale.
Finalement, les chercheurs espèrent capitaliser sur les propriétés matérielles uniques de telles nano-architectures, les appliquer au développement de dispositifs de détection biologiques et chimiques, nanolithographie, mécanismes d'administration de médicaments réduits à l'échelle moléculaire et une nouvelle génération de nanoélectronique.
L'équipe a utilisé une méthode de construction polyvalente connue sous le nom d'origami d'ADN et dans une extension spectaculaire de la technique, (qu'ils appellent ADN Kirigami), ils ont coupé les formes de Möbius résultantes sur toute leur longueur pour produire des structures annulaires torsadées et des boucles imbriquées appelées caténanes.
Leur travail apparaît dans le numéro en ligne avancé d'aujourd'hui de la revue Nature Nanotechnologie . Les étudiants diplômés impliqués dans ce travail incluent Dongran Han et Suchetan Pal dans le groupe Yan.
Faire une bande de Möbius dans le monde de tous les jours est facile. Coupez une étroite bande de papier, rapprocher les deux extrémités de la bande l'une de l'autre pour qu'elles correspondent, mais donnez-leur une demi-torsion avant de fixer les extrémités avec un morceau de scotch. La bande de Möbius résultante, qui n'a qu'une surface et une arête frontière, est un exemple de forme topologique.
"En tant que nanoarchitectes, " Yan dit, "nous nous efforçons de créer deux classes de structure :géométrique et topologique." Les structures géométriques en deux et trois dimensions abondent dans le monde naturel, des formes cristallines complexes aux étoiles de mer, et les organismes unicellulaires comme les diatomées. Yan cite ces formes naturelles comme une source d'inspiration illimitée pour les nanostructures conçues par l'homme.
Topologie, une branche des mathématiques, décrit les propriétés spatiales des formes qui peuvent être tordues, étiré ou autrement déformé pour donner de nouvelles formes. De telles déformations de forme peuvent altérer profondément la géométrie d'un objet, comme lorsqu'une forme de beignet est pincée et étirée en huit, mais la topologie de surface de telles formes n'est pas affectée.
La nature est aussi riche en structures topologiques, Yan note, y compris l'élégant Möbius. Les circulations des courants océaniques plus chauds et plus froids de la terre, par exemple, décrire une forme de Möbius. D'autres structures topologiques sont communes aux systèmes biologiques, en particulier dans le cas de l'ADN, dont les 3 milliards de bases chimiques sont emballées par le chromosome à l'intérieur de la cellule, utilisant des structures topologiques. « Chez les bactéries, l'ADN plasmidique est enroulé dans une superbobine, " explique Yan. " Ensuite, les enzymes peuvent entrer et couper et reconfigurer la topologie pour soulager la torsion dans la supercoil afin que toutes les autres machines cellulaires puissent avoir accès au gène pour la réplication, transcription et ainsi de suite."
Pour former la bande de Möbius dans l'étude actuelle, le groupe s'est appuyé sur les propriétés d'auto-assemblage inhérentes à l'ADN. Un brin d'ADN est formé à partir de combinaisons de 4 bases nucléotidiques, adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G), qui se succèdent sur le brin comme des perles de collier. Ces billes de nucléotides peuvent se lier entre elles selon une règle stricte :A s'apparie toujours avec T, C avec G. Ainsi, une seconde, brin complémentaire d'ADN se lie au premier pour former la double hélice d'ADN.
En 2006, Paul Rothemund de Cal Tech a démontré que le processus d'auto-assemblage de l'ADN pouvait être utilisé pour produire des nanoarchitectures 2D préconçues d'une variété étonnante. Ainsi, L'origami d'ADN est apparu comme un outil puissant pour la conception de nanostructures. La méthode repose sur une longue, segment d'ADN simple brin, utilisé comme échafaudage structurel et guidé à travers l'appariement de base pour prendre la forme souhaitée. Court, "brins de base synthétisés chimiquement, " composés de bases complémentaires servent à maintenir la structure en place.
Après synthèse et mélange d'agrafes d'ADN et de brins d'échafaudage, la structure est capable de s'auto-assembler en une seule étape. La technique a été utilisée pour produire des nanostructures remarquables de smileys, carrés, disques, cartes géographiques, et même des mots, à une échelle de 100 nm ou moins. Mais la création de formes topologiques capables de reconfiguration, comme celles produites par la nature, s'est avéré plus difficile.
Une fois les minuscules structures de Möbius créées, ils ont été examinés par microscopie électronique à force atomique et à transmission. Les images surprenantes confirment que le processus d'origami d'ADN a produit efficacement des bandes de Möbius de type Escher mesurant moins d'un millième de la largeur d'un cheveu humain. Yan note que les formes de Möbius présentaient à la fois des torsions droitières et gauchers. L'imagerie a permis de déterminer la latéralité ou la chiralité de chaque nanostructure aplatie, sur la base des différences de hauteur observées dans les zones de chevauchement.
Une bande de Möbius coupée le long de sa ligne médiane, donne un Kirigami-Anneau. Crédit :Nature Nanotechnologie
Prochain, l'équipe a démontré la flexibilité topologique des formes de Möbius produites, en utilisant une technique de pliage et de coupe - ou DNA Kirigami -. Le Möbius peut être modifié en coupant le long de la bande à différents endroits. Couper un Möbius le long de sa ligne médiane donne une nouvelle structure - une forme en boucle contenant une torsion de 720 degrés ou 4 demi-tours. La conception, que le groupe appelle un Kirigami-Ring n'est plus un Möbius car il a deux bords et deux surfaces. Le Möbius peut également être coupé dans sa longueur au tiers de sa largeur, produisant un Kirigami-Catenane - une bande de Möbius reliée à un anneau superenroulé.
Pour découper avec précision les nanostructures de Möbius, une technique connue sous le nom de déplacement de brin a été utilisée, dans lequel les agrafes d'ADN maintenant l'hélice centrale en place sont équipées de brins dits de maintien des orteils qui dépassent de l'hélice centrale. Un brin complémentaire se lie au segment de l'orteil, retirer les agrafes et permettre au Möbius de s'ouvrir dans le Kirigami-Ring ou le Kirigami-Catenane.
De nouveau, la synthèse réussie de ces formes a été confirmée par microscopie, avec les structures Kirigami-Ring se relaxant progressivement en huit.
Yan souligne que le succès de la nouvelle étude reposait fortement sur le sens remarquable de l'espace tridimensionnel de l'auteur principal Dongran Han, lui permettant de concevoir des structures géométriques et topologiques dans sa tête. "Han et aussi Pal sont des élèves particulièrement brillants, " Yan dit, soulignant que la conceptualisation complexe des nanoarchitectures dans leur recherche est principalement effectuée sans aide informatique. Le groupe espère à l'avenir créer un logiciel capable de simplifier le processus.
"Nous voulons pousser la technologie Origami-Kirigami pour créer des structures plus sophistiquées pour démontrer que nous pouvons créer n'importe quelle forme ou topologie arbitraire en utilisant l'auto-assemblage, " dit Han.
Ayant fait des incursions dans la sculpture, peinture et même littérature, (particulièrement, les romans de l'écrivain français Alain Robbe-Grillet), les structures topologiques sont maintenant prêtes à influencer les développements scientifiques à la plus petite échelle.
