Le programme CanDo (ingénierie assistée par ordinateur pour l'origami ADN) peut convertir un plan d'origami ADN 2D en une forme 3D complexe, vu ici. Image :Do-Nyun Kim
Alors que le travail principal de l'ADN dans les cellules est de transmettre l'information génétique d'une génération à l'autre, certains scientifiques voient également la molécule hautement stable et programmable comme un matériau de construction idéal pour des structures à l'échelle nanométrique qui pourraient être utilisées pour administrer des médicaments, agir comme des biocapteurs, effectuer la photosynthèse artificielle et plus encore.
Essayer de construire des structures d'ADN à grande échelle était autrefois considéré comme impensable. Mais il y a environ cinq ans, Le bio-ingénieur informatique de Caltech, Paul Rothemund, a élaboré une nouvelle stratégie de conception appelée ADN origami :la construction de formes bidimensionnelles à partir d'un brin d'ADN replié sur lui-même et sécurisé par de courts brins « de base ». Quelques années plus tard, Le laboratoire de William Shih à la Harvard Medical School a traduit ce concept en trois dimensions, permettant la conception de structures courbes et courbées complexes qui ont ouvert de nouvelles voies pour la conception biologique synthétique à l'échelle nanométrique.
Un obstacle majeur à ces conceptions de plus en plus complexes a été l'automatisation du processus de conception. Maintenant une équipe au MIT, dirigé par l'ingénieur biologiste Mark Bathe, a développé un logiciel qui permet de prédire plus facilement la forme tridimensionnelle qui résultera d'une matrice d'ADN donnée. Bien que le logiciel n'automatise pas entièrement le processus de conception, il permet aux concepteurs de créer considérablement plus facilement des structures 3D complexes, contrôlant leur flexibilité et potentiellement leur stabilité de pliage.
"Nous recherchons finalement un outil de conception où vous pouvez commencer avec une image de la forme tridimensionnelle complexe d'intérêt, et l'algorithme recherche des combinaisons de séquences optimales, " dit Bathe, le professeur adjoint Samuel A. Goldblith de biologie appliquée. « Afin de mettre cette technologie de nanoassemblage à la disposition de la communauté au sens large, y compris les biologistes, chimistes, et les scientifiques des matériaux sans expertise dans la technique de l'origami ADN - l'outil de calcul doit être entièrement automatisé, avec un minimum de contribution ou d'intervention humaine.
Bathe et ses collègues ont décrit leur nouveau logiciel dans le numéro du 25 février de Méthodes naturelles . Dans ce papier, ils fournissent également une introduction à la création d'origami ADN avec le collaborateur Hendrik Dietz de la Technische Universitaet Muenchen. « Un goulot d'étranglement pour rendre la technologie plus largement utile est que seul un petit groupe de chercheurs spécialisés est formé à la conception d'origami d'ADN échafaudé, », dit Bathe.
ADN de programmation
L'ADN est constitué d'une chaîne de quatre bases nucléotidiques appelées A, T, G et C, qui rendent la molécule facile à programmer. Selon les règles de la nature, A ne se lie qu'à T, et G seulement avec C. « Avec l'ADN, à petite échelle, vous pouvez programmer ces séquences pour qu'elles s'auto-assemblent et se replient dans une structure finale très spécifique, avec des brins séparés réunis pour faire des objets à plus grande échelle, », dit Bathe.
La stratégie de conception d'origami de Rothemund est basée sur l'idée de plier un long brin d'ADN en deux dimensions, comme s'il était posé sur une surface plane. Dans son premier article décrivant la méthode, il a utilisé un génome viral composé d'environ 8, 000 nucléotides pour créer des étoiles 2D, triangles et smileys.
Ce simple brin d'ADN sert d'« échafaudage » pour le reste de la structure. Des centaines de brins plus courts, chacun environ 20 à 40 bases de longueur, combiner avec l'échafaudage pour le maintenir dans sa finale, forme pliée.
« L'ADN est à bien des égards mieux adapté à l'auto-assemblage que les protéines, dont les propriétés physiques sont à la fois difficiles à contrôler et sensibles à leur environnement, », dit Bathe.
Le nouveau logiciel de Bathe s'interface avec un logiciel du laboratoire de Shih appelé caDNAno, qui permet aux utilisateurs de créer manuellement un origami d'ADN échafaudé à partir d'une disposition en deux dimensions. Le nouveau programme, surnommé CanDo, prend le plan 2-D de caDNAno et prédit la forme 3-D ultime de la conception. Cette forme résultante est souvent peu intuitive, Baigne dit, parce que l'ADN est un objet flexible qui se tord, se plie et s'étire au fur et à mesure qu'il se plie pour former une forme 3D complexe.
Selon Rothemund, le programme CanDo devrait permettre aux concepteurs d'origami d'ADN de tester plus en profondeur leurs structures d'ADN et de les peaufiner pour qu'elles se plient correctement. « Alors que nous avons été capables de concevoir la forme des choses, nous n'avons pas eu d'outils pour concevoir et analyser facilement les contraintes et les déformations dans ces formes ou pour les concevoir à des fins spécifiques, " dit-il.
Au niveau moléculaire, le stress dans la double hélice de l'ADN diminue la stabilité de repliement de la structure et introduit des défauts locaux, qui ont tous deux entravé les progrès dans le domaine de l'origami à ADN échafaudé.
Le chercheur postdoctoral Do-Nyun Kim et l'étudiant diplômé Matthew Adendorff, les deux du laboratoire Bathe, renforcent maintenant les capacités de CanDo et optimisent le processus de conception d'origami d'ADN échafaudé.
Construire des outils à l'échelle nanométrique
Une fois que les scientifiques auront un moyen fiable d'assembler des structures d'ADN, la question suivante est que faire avec eux. Une application qui enthousiasme les scientifiques est un « porteur d'ADN » qui peut transporter des médicaments vers des destinations spécifiques dans le corps, telles que des tumeurs, où le transporteur libérerait la cargaison en fonction d'un signal chimique spécifique de la cellule cancéreuse cible.
Une autre application possible de l'origami d'ADN échafaudé pourrait aider à reproduire une partie de l'appareil de récolte de lumière des cellules végétales photosynthétiques. Les chercheurs espèrent recréer cette série complexe d'environ 20 sous-unités protéiques, mais pour faire ça, les composants doivent être maintenus ensemble dans des positions et des orientations spécifiques. C'est là que l'origami ADN pourrait entrer en jeu.
« L'origami ADN permet la construction à l'échelle nanométrique d'arrangements architecturaux très précis. Les chercheurs exploitent cette propriété unique pour poursuivre un certain nombre d'applications à l'échelle nanométrique, comprenant une photocellule synthétique, », dit Bathe. « Alors que des applications comme celle-ci sont encore assez lointaines à l'horizon, nous pensons que les outils logiciels d'ingénierie prédictive sont essentiels pour progresser dans cette direction.
De nouvelles applications pourraient également résulter d'un nouveau concours organisé à Harvard cet été, appelé BIOMOD. Des équipes de premier cycle d'une dizaine d'écoles, dont le MIT, Harvard et Caltech, tentera de concevoir des biomolécules nanométriques pour la robotique, informatique et autres applications.
En attendant, Bathe se concentre sur le développement de CanDo pour permettre la conception automatisée d'origami d'ADN. « Une fois que vous disposez d'un outil de calcul automatisé qui vous permet de concevoir des formes complexes de manière précise, Je pense que nous sommes bien mieux placés pour exploiter cette technologie pour des applications intéressantes, " dit-il.
Pour que l'origami ADN ait un large impact, il doit devenir une routine de simplement commander des pièces d'ADN pour construire n'importe quelle configuration que vous pouvez imaginer, dit Bathe. Il note :« Une fois que les non-spécialistes peuvent concevoir des nanostructures 3D arbitraires en utilisant l'origami d'ADN, leur imagination peut s'exprimer librement.
