Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont choisi une paire d'enzymes universelles, glucose-6 phosphate déshydrogénase (G6pDH) et malate déshydrogénase (MDH), qui sont importants pour la biosynthèse—la fabrication des acides aminés, graisses et acides nucléiques essentiels à toute vie. Par exemple, les défauts trouvés dans la voie provoquent une anémie chez l'homme. "Les enzymes déshydrogénases sont particulièrement importantes car elles fournissent la majeure partie de l'énergie d'une cellule", dit Walter. "Le travail avec ces enzymes pourrait conduire à de futures applications dans la production d'énergie verte telles que les piles à combustible utilisant des biomatériaux comme carburant."

Dans le chemin, La G6pDH utilise le substrat du glucose et du sucre et un cofacteur appelé NAD pour éliminer les atomes d'hydrogène du glucose et les transférer à l'enzyme suivante, MDH, continuer à fabriquer de l'acide malique et générer du NADH dans le processus, qui est utilisé comme cofacteur clé pour la biosynthèse.

Refaire cette paire d'enzymes dans le tube à essai et la faire fonctionner à l'extérieur de la cellule est un grand défi pour la nanotechnologie de l'ADN.

Pour relever le défi, ils ont d'abord fabriqué un échafaudage d'ADN qui ressemble à plusieurs rouleaux d'essuie-tout collés ensemble. A l'aide d'un programme informatique, ils ont pu personnaliser les éléments constitutifs chimiques de la séquence d'ADN afin que l'échafaudage s'auto-assemble. Prochain, les deux enzymes ont été attachées aux extrémités des tubes d'ADN.

Au milieu de l'échafaudage d'ADN, ils ont apposé un seul brin d'ADN, avec le NAD+ attaché jusqu'au bout comme une balle et une ficelle. Yan appelle cela un bras oscillant, ce qui est long, suffisamment flexible et adroit pour basculer entre les enzymes.

Une fois le système réalisé dans un tube à essai en chauffant et en refroidissant l'ADN, ce qui conduit à l'auto-assemblage, les parties enzymatiques ont été ajoutées. Ils ont confirmé la structure à l'aide d'un microscope à haute puissance, appelé AFM, qui peut voir jusqu'à l'échelle nanométrique, 1, 000 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain.

Comme les architectes, les scientifiques ont d'abord construit un modèle grandeur nature afin de pouvoir tester et mesurer la géométrie et les structures spatiales, y compris dans leur configuration un minuscule colorant fluorescent attaché au bras oscillant. Si la réaction a lieu, ils peuvent mesurer un signal de balise rouge que le colorant émet - mais dans ce cas, contrairement à un feu de circulation, une lumière rouge signifie que la réaction fonctionne.

Prochain, ils ont essayé le système enzymatique et ont découvert qu'il fonctionnait exactement de la même manière qu'une cascade d'enzymes cellulaires. Ils ont également mesuré l'effet en faisant varier la distance entre le bras oscillant et les enzymes. Ils ont trouvé qu'il y avait un endroit idéal, à 7 nm, où l'angle du bras était parallèle à la paire d'enzymes.

Avec un seul bras oscillant dans le système de tube à essai fonctionnant comme les enzymes cellulaires, ils ont décidé d'ajouter des armes, tester les limites du système avec jusqu'à 4 bras ajoutés. Ils ont pu montrer qu'à mesure que chaque bras était ajouté, le G6pDH pourrait suivre pour faire encore plus de produit, tandis que le MDH avait atteint son maximum après seulement deux bras oscillants. « L'alignement d'enzymes le long d'une chaîne de montage conçue comme Henry Ford pour les pièces automobiles est particulièrement satisfaisant pour quelqu'un qui vit près de la ville automobile de Detroit, " dit Walter.

Les travaux ouvrent également un avenir prometteur où les voies biochimiques peuvent être répliquées à l'extérieur de la cellule pour développer des applications biomédicales telles que des méthodes de détection pour les plateformes de diagnostic.

"Un objectif encore plus noble et plus précieux est de concevoir des voies enzymatiques en cascade hautement programmées sur des plateformes de nanostructures d'ADN avec contrôle des séquences d'entrée et de sortie. Atteindre cet objectif permettrait non seulement aux chercheurs d'imiter les élégantes cascades enzymatiques trouvées dans la nature et de tenter de comprendre leur mécanismes d'action sous-jacents, mais faciliterait la construction de cascades artificielles qui n'existent pas dans la nature, " dit Yan.