(Phys.org) — Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont découvert que des brins d'ADN « de liaison » amènent des tiges de taille nanométrique à s'aligner de manière différente de tout autre arrangement spontané d'objets en forme de tige. L'arrangement, avec les tiges formant des "échelons" sur des rubans en forme d'échelle liés par de multiples brins d'ADN, résulte des interactions collectives des attaches d'ADN flexibles et peut être unique à l'échelle nanométrique. La recherche, décrit dans un article publié en ligne dans ACS Nano , un journal de l'American Chemical Society, pourrait aboutir à la fabrication de nouveaux matériaux nanostructurés avec les propriétés souhaitées.

"Il s'agit d'un mécanisme d'auto-assemblage complètement nouveau qui n'a pas d'analogues directs dans le domaine des systèmes moléculaires ou microscopiques, " a déclaré le physicien de Brookhaven Oleg Gang, auteur principal sur le papier, qui a mené la majeure partie de la recherche au Centre des nanomatériaux fonctionnels du laboratoire.

Grandes classes d'objets en forme de tige, allant des molécules aux virus, présentent souvent un comportement typique de cristal liquide, où les tiges s'alignent avec une dépendance directionnelle, parfois avec les cristaux alignés formant des plans bidimensionnels sur une zone donnée. Objets en forme de tige avec une forte directionnalité et des forces d'attraction entre leurs extrémités résultantes, par exemple, à partir de la distribution de charge polarisée, peut également parfois s'aligner bout à bout formant des chaînes unidimensionnelles linéaires.

Aucun arrangement typique n'est trouvé dans les nanotiges attachées à l'ADN.

"Notre découverte montre qu'un régime qualitativement nouveau émerge pour les objets à l'échelle nanométrique décorés d'attaches moléculaires flexibles de tailles comparables - un arrangement linéaire en échelle unidimensionnel qui apparaît en l'absence d'affinité de bout en bout entre les tiges, " dit Gang.

Alexeï Tkachenko, le scientifique du CFN qui a développé la théorie pour expliquer l'arrangement exceptionnel, a élaboré :« Remarquablement, le système a les trois dimensions à vivre, pourtant il choisit de former le linéaire, rubans presque unidimensionnels. Cela peut être comparé à la façon dont les dimensions supplémentaires supposées par les physiciens des hautes énergies deviennent « cachées, ' pour que nous nous retrouvions dans un monde en 3D."

Tkachenko explique comment l'alignement en échelle résulte d'une rupture de symétrie fondamentale :

"Une fois qu'une nanotige se connecte à une autre côte à côte, il perd la symétrie cylindrique qu'il avait lorsqu'il avait des attaches libres tout autour. Puis, le prochain nanotige se liera préférentiellement à un autre côté du premier, où il y a encore des linkers d'ADN disponibles."

L'ADN comme colle

L'utilisation d'ADN synthétique comme forme de colle moléculaire pour guider l'assemblage de nanoparticules a été une approche centrale de la recherche de Gang au CFN. Ses travaux antérieurs ont montré que des brins de cette molécule, mieux connue pour porter le code génétique des êtres vivants, peuvent rassembler des nanoparticules lorsque des brins portant des séquences complémentaires de bases nucléotidiques (connues par les lettres A, T, G, et C) sont utilisés comme attaches, ou inhiber la liaison lorsque des brins non appariés sont utilisés. Contrôler soigneusement ces forces attractives et inhibitrices peut conduire à une ingénierie nanométrique affinée.

Dans l'étude actuelle, les scientifiques ont utilisé des nanotiges d'or et des brins simples d'ADN pour explorer des arrangements faits avec des attaches complémentaires attachées à des tiges adjacentes. Ils ont également examiné les effets de l'utilisation de brins de liaison de différentes longueurs pour servir de colle d'attache.

Après avoir mélangé les différentes combinaisons, ils ont étudié les arrangements résultants en utilisant la spectroscopie ultraviolet-visible au CFN, et aussi avec la diffusion des rayons X aux petits angles à la source lumineuse synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS). Ils ont également utilisé des techniques pour "geler" l'action à divers points pendant l'assemblage et ont observé ces phases statiques en utilisant la microscopie électronique à balayage pour mieux comprendre la progression du processus au fil du temps.

Les différentes méthodes d'analyse ont confirmé la disposition côte à côte des nanotiges disposées comme des barreaux sur un ruban en forme d'échelle au cours des premières étapes de l'assemblage, suivi plus tard d'un empilement des rubans et enfin d'une agrégation tridimensionnelle à plus grande échelle due à la formation de ponts d'ADN entre les rubans.

Ce processus d'assemblage par étapes, dit hiérarchique, rappelle l'auto-assemblage dans de nombreux systèmes biologiques (par exemple, l'enchaînement des acides aminés en chaînes suivi du repliement ultérieur de ces chaînes pour former des protéines fonctionnelles).

La nature progressive de l'assemblage a suggéré à l'équipe que le processus pourrait être arrêté aux étapes intermédiaires. En utilisant des brins d'ADN "bloquants" pour lier les attaches libres restantes sur les structures linéaires en forme de ruban, ils ont démontré leur capacité à empêcher les interactions de stade ultérieur qui forment des structures agrégées.

"L'arrêt du processus d'assemblage au stade du ruban en forme d'échelle pourrait potentiellement être appliqué à la fabrication de structures linéaires avec des propriétés d'ingénierie, " a déclaré Gang. "Par exemple, en contrôlant les propriétés plasmoniques ou fluorescentes - les réponses des matériaux à la lumière - nous pourrions être en mesure de fabriquer des concentrateurs de lumière ou des guides de lumière à l'échelle nanométrique, et pouvoir les changer à la demande."