Cette impression 3D montre une structure basée sur l'ADN conçue pour tester une hypothèse critique - que de tels objets pourraient être réalisés, comme conçu, avec une précision subnanométrique. Cet objet est un relativement grand, structure tridimensionnelle à base d'ADN, asymétrique pour aider à déterminer l'orientation, et incorporant des motifs de conception distinctifs. L'imagerie à résolution subnanométrique avec la microscopie électronique à basse température a permis aux chercheurs de cartographier l'objet - qui comprend plus de 460, 000 atomes -- avec des détails à l'échelle subnanométrique. Crédit :Dietz Lab, TU Munich
Deux obstacles majeurs à l'avancement de la nanotechnologie de l'ADN au-delà du laboratoire de recherche ont été renversés. Cette technologie émergente utilise l'ADN comme matériau de construction programmable pour l'auto-assemblage, structures à l'échelle du nanomètre. De nombreuses applications pratiques ont été envisagées, et des chercheurs ont récemment démontré un canal membranaire synthétique fabriqué à partir d'ADN. Jusqu'à maintenant, cependant, les processus de conception ont été entravés par un manque de rétroaction structurelle. L'assemblage était lent et souvent de mauvaise qualité. Aujourd'hui, des chercheurs dirigés par le professeur Hendrik Dietz de la Technische Universitaet Muenchen (TUM) ont levé ces obstacles.
Un obstacle retenant le terrain était une hypothèse non prouvée. Les chercheurs ont pu concevoir une grande variété d'objets discrets et spécifier exactement comment les brins d'ADN doivent se regrouper et se replier dans les formes souhaitées. Ils ont pu montrer que les nanostructures résultantes correspondaient étroitement aux conceptions. Manque encore, bien que, était la validation du contrôle de position précis supposé à l'échelle subnanométrique. Cela a été confirmé pour la première fois par l'analyse d'un objet de test conçu spécifiquement à cet effet. Une rupture technique basée sur les avancées de la compréhension fondamentale, cette démonstration a fourni un contrôle de réalité crucial pour la nanotechnologie de l'ADN.
Dans un ensemble séparé d'expériences, les chercheurs ont découvert que le temps nécessaire pour fabriquer un lot d'objets complexes à base d'ADN peut être réduit d'une semaine à quelques minutes, et que le rendement peut être proche de 100 %. Ils ont montré pour la première fois qu'à température constante, des centaines de brins d'ADN peuvent se replier de manière coopérative pour former un objet—correctement, tel que conçu, en quelques minutes. Étonnamment, ils disent, le processus est similaire au repliement des protéines, malgré des différences chimiques et structurelles importantes. "En voyant cette combinaison de pliage rapide et de rendement élevé, " Dietz dit, « nous avons plus que jamais le sentiment que la nanotechnologie de l'ADN pourrait conduire à un nouveau type de fabrication, avec une publicité, même l'avenir industriel. » Et il y a des avantages immédiats, il ajoute :« Maintenant, nous n'avons plus à attendre une semaine pour obtenir des commentaires sur un modèle expérimental, et les processus d'assemblage en plusieurs étapes sont soudainement devenus beaucoup plus pratiques."
Contrôle atomiquement précis
Pour tester l'hypothèse selon laquelle des objets ADN discrets pourraient être assemblés comme prévu avec une précision subnanométrique, Les biophysiciens de TUM ont collaboré avec des scientifiques du MRC Laboratory of Molecular Biology à Cambridge, ROYAUME-UNI. Ils ont produit une quantité relativement importante, structure tridimensionnelle à base d'ADN, asymétrique pour aider à déterminer l'orientation, et incorporant des motifs de conception distinctifs.
En arrière-plan, une impression 3D montrant l'un des 19 modèles d'objets de nanotechnologie d'ADN qui ont été utilisés pour étudier la dynamique de pliage et de dépliage ; au dessous de, une impression 3D montrant clairement, pics aigus dans le pliage et le dépliage résolus dans le temps de l'objet à température constante. Des résultats récents montrent que le temps qu'il faut pour produire de tels objets peut être réduit de quelques jours à quelques minutes, avec des rendements proches de 100 pour cent. Crédit :Dietz Lab, TU Munich
L'imagerie à résolution subnanométrique avec la microscopie électronique à basse température a permis aux chercheurs de cartographier l'objet, qui comprend plus de 460, 000 atomes—avec des détails à l'échelle subnanométrique. Parce que l'objet incorpore, en effet, toute une bibliothèque d'éléments de conception différents, il servira également de ressource pour une étude plus approfondie. Les résultats, signalé dans Actes de l'Académie nationale des sciences , non seulement démontrer un assemblage précis sur le plan atomique, mais aussi montrer que de telles structures, autrefois considéré comme de la gelée et flexible, sont suffisamment rigides pour être sondés par microscopie électronique.
Traitement rapide, des rendements proches de 100 %
En revanche, Objets ADN avec 19 conceptions différentes - y compris en forme de plaque, comme un engrenage, et des formes semblables à des briques - ont été utilisées pour une deuxième série d'expériences au TUM, rapporté dans le dernier numéro de Science . Ici, l'objectif principal des chercheurs était la dynamique du repliement et du déploiement de l'ADN. Le processus d'auto-assemblage habituel est souvent décrit comme une "réaction à un seul pot":brins d'ADN qui serviront de matrice, instructions, et les matériaux de construction pour un objet conçu sont placés ensemble à une température relativement élevée où ils resteront séparés ; la température est progressivement abaissée, et quelque part le long de la ligne, les brins d'ADN s'assemblent pour former les structures souhaitées.
Observant ce processus avec une précision sans précédent, les chercheurs du TUM ont découvert que toute l'action se déroule dans une plage de température spécifique et relativement étroite, qui diffère selon la conception de l'objet. Une implication pratique est que, une fois que la température optimale pour une conception donnée a été déterminée, Auto-assemblage d'ADN – nanofabrication, en substance - pourrait être accompli par des processus rapides à des températures constantes. Suite à cette piste, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient "produire en masse" des objets fabriqués à partir de centaines de brins d'ADN en quelques minutes au lieu de plusieurs jours, avec presque aucun objet défectueux ou sous-produit dans le lot résultant.
"En plus de nous dire que les objets ADN complexes sont manufacturables, " Dietz dit, "ces résultats suggèrent quelque chose que nous osions à peine imaginer auparavant - qu'il pourrait être possible d'assembler des nanodispositifs d'ADN dans une culture cellulaire ou même dans une cellule vivante."
Du point de vue de la biologie fondamentale, le résultat le plus intrigant de ces expériences peut être la découverte que le repliement de l'ADN ressemble plus étroitement que prévu au repliement des protéines. Chimiquement et structurellement, les deux familles de biomolécules sont assez différentes. Mais les chercheurs ont observé des étapes "coopératives" clairement définies dans le repliement d'objets ADN complexes, pas différent en principe des mécanismes à l'œuvre dans le repliement des protéines. Ils spéculent que d'autres expériences d'auto-assemblage d'objets d'ADN conçus pourraient aider à percer les mystères du repliement des protéines, qui est plus complexe et moins accessible à l'étude directe.
