Les sphères qui composent le cristal se succèdent dans des sillages, rendant certains modèles plus susceptibles de se former. Crédit :Ian Jenkins
(Phys.org) —En attachant de courtes séquences d'ADN simple brin à des blocs de construction à l'échelle nanométrique, les chercheurs peuvent concevoir des structures qui peuvent se construire efficacement. Les blocs de construction qui sont censés se connecter ont des séquences d'ADN complémentaires sur leurs surfaces, s'assurer que seules les pièces correctes se lient ensemble lorsqu'elles se bousculent en suspension dans un tube à essai.
Maintenant, une équipe de l'Université de Pennsylvanie a fait une découverte avec des implications pour toutes ces structures auto-assemblées.
Des travaux antérieurs supposaient que le milieu liquide dans lequel flottent ces morceaux recouverts d'ADN pouvait être traité comme un vide placide, mais l'équipe Penn a montré que la dynamique des fluides joue un rôle crucial dans le type et la qualité des structures qui peuvent être réalisées de cette manière.
Au fur et à mesure que les morceaux recouverts d'ADN se réorganisent et se lient, ils créent des sillages dans lesquels d'autres morceaux peuvent s'écouler. Ce phénomène rend certains motifs au sein des structures plus susceptibles de se former que d'autres.
La recherche a été menée par les professeurs Talid Sinno et John Crocker, aux côtés des étudiants diplômés Ian Jenkins, Marie Casey et James McGinley, tous du département de génie chimique et biomoléculaire de la faculté d'ingénierie et de sciences appliquées de Penn.
Il a été publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .
La découverte de l'équipe Penn a commencé par une observation inhabituelle sur l'une de leurs études précédentes, qui traitait d'une structure cristalline reconfigurable que l'équipe avait réalisée à l'aide de sphères en plastique recouvertes d'ADN, chaque 400 nanomètres de large. Ces structures s'assemblent initialement en cristaux souples avec des motifs de forme carrée, mais, dans un processus similaire au traitement thermique de l'acier, leurs modèles peuvent être cajolés dans plus stables, configurations triangulaires.
Étonnamment, les structures qu'ils fabriquaient en laboratoire étaient meilleures que celles que leurs simulations informatiques prédisaient. Les cristaux simulés étaient pleins de défauts, endroits où le motif cristallin des sphères a été perturbé, mais les cristaux cultivés expérimentalement étaient tous parfaitement alignés.
Alors que ces cristaux parfaits étaient un signe positif que la technique pouvait être étendue pour construire différents types de structures, le fait que leurs simulations étaient manifestement erronées indiquait un obstacle majeur.
"Ce que vous voyez dans une expérience, " Sinno a dit, "est généralement une version plus sale de ce que vous voyez dans la simulation. Nous devons comprendre pourquoi ces outils de simulation ne fonctionnent pas si nous voulons construire des choses utiles avec cette technologie, et ce résultat était la preuve que nous ne comprenons pas encore complètement ce système. Ce n'est pas seulement un détail de simulation qui manquait; il y a un mécanisme physique fondamental que nous n'incluons pas."
Par élimination, le mécanisme physique manquant s'est avéré être des effets hydrodynamiques, essentiellement, l'interaction entre les particules et le fluide dans lequel elles sont en suspension pendant leur croissance. La simulation de l'hydrodynamique d'un système est critique lorsque le fluide s'écoule, comme la façon dont les rochers sont façonnés par une rivière tumultueuse, mais a été considéré comme non pertinent lorsque le fluide est immobile, comme c'était le cas dans les expériences des chercheurs. Alors que la bousculade des particules perturbe le milieu, le système reste en équilibre, suggérant que l'effet global est négligeable.
Les simulations des chercheurs ont produit des cristaux avec des défauts aléatoires. Ici, différentes couleurs représentent différents motifs cristallins. Crédit :Université de Pennsylvanie
"La sagesse conventionnelle, " Crocker a dit, « était que vous n'avez pas besoin de prendre en compte les effets hydrodynamiques dans ces systèmes. Les ajouter aux simulations est coûteux en calcul, et il existe différents types de preuves que ces effets ne modifient pas l'énergie du système. De là, vous pouvez faire un saut pour dire, 'Je n'ai pas du tout besoin de m'inquiéter pour eux.'"
Les systèmes de particules comme ceux fabriqués par ces sphères recouvertes d'ADN auto-assemblantes se réarrangent généralement jusqu'à ce qu'ils atteignent l'état d'énergie le plus bas. Une caractéristique inhabituelle du système des chercheurs est qu'il existe des milliers de configurations finales - la plupart contenant des défauts - qui sont tout aussi favorables sur le plan énergétique que la parfaite qu'ils ont produite dans l'expérience.
"C'est comme si tu étais dans une pièce aux mille portes, " dit Crocker. " Chacune de ces portes vous amène à une structure différente, dont un seul est le cristal à motif cuivre-or que nous obtenons réellement. Sans l'hydrodynamique, la simulation est également susceptible de vous faire franchir l'une de ces portes."
La percée des chercheurs est survenue lorsqu'ils ont réalisé que si les effets hydrodynamiques ne rendraient pas une configuration finale plus favorable sur le plan énergétique qu'une autre, les différentes façons dont les particules auraient besoin de se réorganiser pour atteindre ces états n'étaient pas toutes aussi faciles. De manière critique, il est plus facile pour une particule de faire un certain réarrangement si elle suit le sillage d'une autre particule faisant les mêmes mouvements.
"C'est comme un sillage, " dit Crocker. " La façon dont les particules se déplacent ensemble, c'est comme s'il s'agissait d'un banc de poissons."
"Comment vous allez détermine ce que vous obtenez, " a dit Sinno. " Il y a certains chemins qui ont beaucoup plus de sillage que d'autres, et les chemins qui ont beaucoup correspondent aux configurations finales que nous avons observées dans l'expérience."
Les chercheurs pensent que cette découverte jettera les bases de futurs travaux avec ces blocs de construction recouverts d'ADN, mais le principe découvert dans leur étude sera probablement valable dans d'autres situations où des particules microscopiques sont en suspension dans un milieu liquide.
"Si le slipstreaming est important ici, il est susceptible d'être important dans d'autres assemblages de particules, ", a déclaré Sinno. Il ne s'agit pas seulement de ces particules liées à l'ADN; il s'agit de tout système dans lequel vous avez des particules à cette échelle de taille. Pour vraiment comprendre ce que vous obtenez, vous devez inclure l'hydrodynamique."
