(Phys.org) —Lorsque des chercheurs de l'Illinois ont entrepris d'étudier une méthode pour contrôler la façon dont l'ADN se déplace à travers un minuscule dispositif de séquençage, ils ne savaient pas qu'ils étaient sur le point d'assister à une démonstration de gymnastique moléculaire.

Rapide, un séquençage précis et abordable de l'ADN est la première étape vers une médecine personnalisée. Enfiler une molécule d'ADN à travers un petit trou, appelé nanopore, dans une feuille de graphène permet aux chercheurs de lire la séquence d'ADN; cependant, ils ont un contrôle limité sur la vitesse à laquelle l'ADN se déplace à travers le pore. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Communication Nature , Le professeur de physique de l'Université de l'Illinois, Aleksei Aksimentiev, et l'étudiant diplômé Manish Shankla ont appliqué une charge électrique à la feuille de graphène, en espérant que l'ADN réagirait à la charge d'une manière qui leur permettrait de contrôler son mouvement jusqu'à chaque lien individuel, ou nucléotide, dans la chaîne d'ADN.

"Idéalement, vous voudriez faire passer l'ADN à travers le nanopore un nucléotide à la fois, " dit Aksimentiev. " Prenez une mesure, puis placez un autre nucléotide dans le trou de détection. C'est le but, et il n'a pas encore été réalisé. Nous montrons que, dans une certaine mesure, nous pouvons contrôler le processus en chargeant le graphène."

Les chercheurs ont découvert qu'une charge positive dans le graphène accélère le mouvement de l'ADN à travers le nanopore, tandis qu'une charge négative arrête l'ADN dans son élan. Cependant, pendant qu'ils regardaient, l'ADN semblait danser à travers la surface du graphène, pirouetter dans des formes qu'ils n'avaient jamais vues, spécifique à la séquence des nucléotides de l'ADN.

"Ça me rappelle le lac des cygnes, " a dit Aksimentiev. " C'est très acrobatique. Nous avons été très surpris par la variété de conformations d'ADN que nous pouvons observer à la surface du graphène lorsque nous le chargeons. Il y a une séquence qui commence à se poser à la surface, et quand on change la charge, ils s'inclinent tous sur le côté comme s'ils faisaient une pompe à un bras. Ensuite, nous avons aussi des nucléotides qui se reposeraient, ou monter comme une ballerine en pointe."

Regardez une animation vidéo de l'ADN dansant alors que la charge de graphène change :

Aksimentiev émet l'hypothèse que les conformations sont si différentes et si spécifiques à la séquence car chaque nucléotide a une distribution d'électrons légèrement différente, les parties chargées négativement des atomes. Il y a même une différence visible lorsqu'un nucléotide est méthylé, un petit changement chimique qui peut activer ou désactiver un gène.

En commutant la charge dans le graphène, les chercheurs peuvent contrôler non seulement le mouvement de l'ADN à travers le pore, mais aussi la forme que prend l'ADN.

"Parce que c'est réversible, nous pouvons le forcer à adopter une conformation, puis le forcer à revenir en arrière. C'est pourquoi nous l'appelons gymnastique, " a déclaré Aksimentiev.

Les chercheurs ont largement utilisé le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications, logé à l'Université de l'Illinois. Ils ont cartographié chaque atome individuel dans la molécule d'ADN complexe et ont effectué de nombreuses simulations de nombreuses séquences d'ADN différentes. La puissance des supercalculateurs était essentielle à la réalisation des travaux, dit Aksimentiev.

« C'est un projet très intensif en calcul, " a-t-il dit. " Avoir accès à Blue Waters était essentiel car avec le nombre de simulations, nous n'aurions pas pu les terminer. Cela aurait été trop long."

L'étape suivante consiste à combiner une configuration de nanopores chargés avec un capteur pour construire un dispositif de séquençage d'ADN qui incorporerait à la fois le contrôle du mouvement et la reconnaissance des nucléotides. Les chercheurs espèrent également explorer les changements conformationnels inattendus pour mieux comprendre l'épigénétique, le domaine qui étudie comment les gènes sont exprimés et modérés.

"L'ADN est beaucoup plus compliqué qu'une simple double hélice. C'est une molécule complexe qui a de nombreuses propriétés, et nous les découvrons encore, " a déclaré Aksimentiev.