Les scientifiques qui cherchent des moyens de concevoir l'assemblage de minuscules particules mesurant seulement des milliardièmes de mètre ont réalisé une nouvelle première :la formation d'une seule couche de nanoparticules sur une surface liquide où les propriétés de la couche peuvent être facilement modifiées. La compréhension de l'assemblage de tels films minces nanostructurés pourrait conduire à la conception de nouveaux types de filtres ou de membranes avec une réponse mécanique variable pour un large éventail d'applications. En outre, parce que les scientifiques ont utilisé de minuscules brins synthétiques d'ADN pour maintenir les nanoparticules ensemble, l'étude offre également un aperçu du mécanisme d'interaction des nanoparticules et des molécules d'ADN à proximité d'une membrane lipidique. Cette compréhension pourrait éclairer l'utilisation émergente des nanoparticules comme véhicules pour la livraison de gènes à travers les membranes cellulaires.

"Notre travail révèle comment les nanoparticules recouvertes d'ADN interagissent et se réorganisent à une interface lipidique, et comment ce processus affecte les propriétés d'un "film mince" composé de nanoparticules liées à l'ADN, " a déclaré le physicien Oleg Gang qui a dirigé l'étude au Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie. Les résultats seront publiés le 11 juin. Édition imprimée 2014 de la Journal de l'American Chemical Society .

Comme la molécule qui transporte l'information génétique dans les êtres vivants, les brins d'ADN synthétique utilisés comme "colle" pour lier les nanoparticules dans cette étude ont une tendance naturelle à s'apparier lorsque les bases qui composent les barreaux de la molécule en forme d'échelle torsadée correspondent d'une manière particulière. Les scientifiques de Brookhaven ont fait grand usage de la spécificité de cette force d'attraction pour obtenir des nanoparticules recouvertes de brins d'ADN synthétiques uniques pour s'apparier et s'assembler dans une variété d'architectures tridimensionnelles. Le but de la présente étude était de voir si la même approche pouvait être utilisée pour réaliser des conceptions de deux dimensions, films à une particule d'épaisseur.

« De nombreuses applications que nous envisageons pour les nanoparticules, tels que les revêtements optiques et les dispositifs de stockage photovoltaïques et magnétiques, nécessitent une géométrie plane, " a déclaré Sunita Srivastava, un chercheur postdoctoral de l'Université Stony Brook et l'auteur principal de l'article. D'autres groupes de scientifiques ont assemblé de tels plans de nanoparticules, essentiellement les faire flotter sur une surface liquide, mais ces tableaux à une seule couche ont tous été statiques, elle a expliqué. "L'utilisation de molécules de liaison d'ADN nous donne un moyen de contrôler les interactions entre les nanoparticules."

Comme décrit dans le document, les scientifiques ont démontré leur capacité à réaliser des monocouches différemment structurées, d'un réseau visqueux semblable à un fluide à un maillage élastique réticulé plus étroitement tissé - et basculer entre ces différents états - en faisant varier la force de l'appariement entre les brins d'ADN complémentaires et en ajustant d'autres variables, y compris la charge électrostatique sur la surface de l'assemblage liquide et la concentration de sel.

Quand la surface qu'ils utilisaient, un lipide, a une forte charge positive, il attire les brins d'ADN chargés négativement qui recouvrent les nanoparticules. Cette attraction électrostatique et la répulsion entre les molécules d'ADN chargées négativement entourant les nanoparticules adjacentes dominent la force d'attraction entre les bases d'ADN complémentaires. Par conséquent, les particules forment une monocouche visqueuse flottant librement en réseau assez lâche. L'ajout de sel modifie les interactions et surmonte la répulsion entre les brins d'ADN de même charge, permettre aux paires de bases de s'apparier et de lier plus étroitement les nanoparticules entre elles, formant d'abord des tableaux de type chaîne, et avec plus de sel, une couche semblable à un maillage plus solide mais élastique.

"Le mécanisme de cette transition de phase n'est pas évident, " a déclaré Gang. " Cela ne peut pas être compris à partir des seules interactions répulsion-attraction. A l'aide de la théorie, nous révélons qu'il y a des effets collectifs des chaînes d'ADN flexibles qui conduisent le système dans les états particuliers. Et cela n'est possible que lorsque la taille des particules et la taille des chaînes d'ADN sont comparables, de l'ordre de 20 à 50 nanomètres, " il a dit.

Dans le cadre de l'étude, les scientifiques ont examiné les différentes configurations des nanoparticules au-dessus de la couche liquide en utilisant la diffusion des rayons X à la source de lumière synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS). Ils ont également transféré la monocouche produite à chaque concentration de sel sur une surface solide afin de pouvoir la visualiser en microscopie électronique au CFN.

« La création de ces monocouches de particules à une interface liquide est très pratique et efficace car la structure bidimensionnelle des particules est très « fluide » et peut être facilement manipulée, contrairement à un substrat solide, où les particules peuvent facilement se coller à la surface, " Gang a dit. " Mais dans certaines applications, nous pouvons avoir besoin de transférer la couche assemblée sur une telle surface solide. En combinant la diffusion synchrotron et l'imagerie par microscopie électronique, nous avons pu confirmer que le transfert peut être effectué avec une perturbation minimale de la monocouche."

La nature commutable des monocouches pourrait être particulièrement intéressante pour des applications telles que les membranes utilisées pour la purification et les séparations, ou pour contrôler le transport d'objets moléculaires ou nanométriques à travers des interfaces liquides. Par exemple, dit Gang, lorsque les particules sont liées mais se déplacent librement à l'interface, ils peuvent laisser passer un objet - une molécule - à travers l'interface. "Toutefois, lorsque nous induisons des liaisons entre les particules pour former un réseau maillé, aucun objet plus grand que la taille des mailles du réseau ne peut pénétrer à travers ce film très mince. "

"En principe, on peut même penser à de tels réseaux régulés à la demande pour ajuster dynamiquement la taille du maillage. Parce que, du régime de taille nanométrique, on pourrait envisager d'utiliser de telles membranes pour filtrer des protéines ou d'autres nanoparticules, " il a dit.

Comprendre comment les nanoparticules synthétiques recouvertes d'ADN interagissent avec une surface lipidique peut également donner un aperçu de la façon dont ces particules recouvertes de gènes réels pourraient interagir avec les membranes cellulaires - qui sont en grande partie composées de lipides - et entre elles dans un environnement lipidique.

"D'autres groupes ont envisagé d'utiliser des nanoparticules recouvertes d'ADN pour détecter des gènes dans les cellules, ou même pour délivrer des gènes aux cellules pour la thérapie génique et de telles approches, " a déclaré Gang. "Notre étude est la première du genre à examiner les aspects structurels de l'interface ADN-particule/lipide directement en utilisant la diffusion des rayons X. Je pense que cette approche a une valeur significative en tant que plate-forme pour des études plus détaillées de systèmes réalistes importants pour ces nouvelles applications biomédicales des appariements ADN-nanoparticules, " dit Gang.