(Phys.org) - Est-il possible de concevoir des nanomatériaux auto-réplicables ? Cela pourrait être le cas si nous empruntons les éléments constitutifs de la nature. L'ADN est une molécule auto-répliquante où ses composants, nucléotides, ont des interactions chimiques spécifiques qui permettent la conception de structures auto-assemblées. Dans les systèmes biologiques, L'ADN se réplique à l'aide de protéines. Cependant, Junghoon Kim, Junwye Lee, Shogo Hamada, Satoshi Murata, et le parc Sung Ha de l'université Sungkyunkwan et de l'université Tohoku ont conçu un système d'auto-réplication contrôlable qui ne nécessite pas de protéines. Leur travail apparaît dans Nature Nanotechnologie .

Pour comprendre comment fonctionne ce processus d'auto-réplication, il est important de connaître les différentes pièces constitutives. Kim et al. conçu deux T-motifs ADN, r 1 et r 2 , qui sont de l'ADN double brin composé de domaines fonctionnels, étiquetés alpha et bêta, et les extrémités "collantes" comme points de connexion. Ils ont également conçu un motif d'extension. Douze unités de la r 1 motif auto-assemblé en un petit anneau, R 1 , et douze unités de r 2 plus douze motifs d'extension auto-assemblés en un anneau plus grand, R 2 .

Ces composants peuvent être dans deux états différents, « fertilisé » ou « non fertilisé ». Les structures fécondées contiennent les caractéristiques nécessaires à la réplication. La fécondation se produit lorsqu'un domaine alpha ou bêta simple brin d'un r 1 ou r 2 le motif se lie à un brin ayant un domaine alpha ou bêta complémentaire. Cela laisse une saillie à un seul brin, ou prise de pied, s'étendant de l'anneau ou du motif original. Les orteils indiquent que l'anneau ou le motif est fécondé.

Ces orteils s'étendant de l'anneau d'ADN se lient à des brins d'envahisseurs complémentaires. Quand cela arrive, la structure hybridée constituée de la prise orteil et du brin envahissant se détache de l'anneau initial, et éventuellement, comme ces morceaux se brisent en raison de la migration des branches, ils s'auto-assemblent dans un autre anneau.

Ce processus se poursuit par deux voies de réplication différentes. Une voie croît de façon exponentielle. L'autre voie croît selon la séquence de Fibonacci. La voie particulière empruntée dépend des brins envahisseurs ajoutés au système.

Les auteurs ont vérifié que les populations d'anneaux d'ADN ont augmenté grâce à ce processus induit par les orteils avec des études d'AFM et d'absorbance. Pour les études AFM, ils ont prélevé un petit échantillon de chaque phase et déterminé le nombre moyen d'anneaux présents dans cette phase. Les données d'absorbance ont été ajustées pour déterminer la concentration relative des anneaux à chaque phase.

Ils ont également vérifié que les anneaux filles résultaient d'un recuit aux orteils simple brin de l'anneau initial plutôt que d'un auto-assemblage de motifs d'ADN résiduels en solution en utilisant une électrophorèse sur gel et en extrayant les produits d'ADN de chaque phase. Les phases individuelles ont été étudiées avec l'AFM et les brins envahissants ont été ajoutés à une solution pendant chacune des phases pour voir si des anneaux se formaient.

Kim, et al. ont démontré que l'auto-réplication à l'échelle nanométrique peut se produire en utilisant les propriétés thermodynamiques du déplacement de brin induit par la prise et les capacités d'auto-assemblage des motifs d'ADN. Dans cette étude, les motifs en T d'ADN synthétique s'auto-assemblent en structures qui permettent à des réactions séquentielles d'avoir lieu. Cette recherche démontre la possibilité de nanostructures autoréplicables fonctionnellement programmables.

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