Des scientifiques du monde entier utilisent la programmabilité de l'ADN pour assembler des structures complexes à l'échelle nanométrique. Jusqu'à maintenant, cependant, la production de ces structures artificielles s'est limitée aux milieux aquatiques, parce que l'ADN fonctionne naturellement à l'intérieur de l'environnement aqueux des cellules vivantes.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont maintenant montré qu'ils pouvaient assembler des nanostructures d'ADN dans un solvant ne contenant pas d'eau. Ils ont également découvert que l'ajout d'une petite quantité d'eau à leur solvant augmente la vitesse d'assemblage et fournit un nouveau moyen de contrôler le processus. Le solvant peut également faciliter la production de structures plus complexes en réduisant le problème de piégeage de l'ADN dans des structures non souhaitées.

La recherche pourrait ouvrir de nouvelles applications pour la nanotechnologie de l'ADN, et aider à appliquer la technologie de l'ADN à la fabrication de semi-conducteurs et de structures plasmoniques à l'échelle nanométrique. Parrainé par la National Science Foundation et la NASA, la recherche sera publiée en couverture dans le volume 54, Numéro 23 de la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

« Les structures nanotechnologiques de l'ADN deviennent de plus en plus complexes, et ce solvant pourrait aider les chercheurs qui travaillent dans ce domaine en pleine croissance, " dit Nicolas Hud, professeur à l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. "Avec ce travail, nous avons montré que des nanostructures d'ADN peuvent être assemblées dans un solvant sans eau, et que l'on peut mélanger de l'eau avec le même solvant pour accélérer le montage. Nous pouvons également prendre les structures qui ont été assemblées dans ce solvant mélangées à de l'eau - éliminer l'eau en appliquant le vide - et faire en sorte que les structures d'ADN restent intactes dans le solvant sans eau. "

La vitesse d'assemblage des nanostructures d'ADN peut être très lente, et dépend fortement de la température. L'élévation de la température augmente ce taux, mais des températures trop élevées peuvent provoquer la désintégration des structures de l'ADN. Le système de solvant développé à Georgia Tech ajoute un nouveau niveau de contrôle sur l'assemblage de l'ADN. Les structures d'ADN s'assemblent à des températures plus basses dans ce solvant, et l'ajout d'eau peut ajuster la viscosité du solvant, ce qui permet un montage plus rapide par rapport à la version sans eau du solvant.

"Ce solvant change les règles, " dit Isaac Gallego, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Hud et premier auteur de l'article. "Nous disposons désormais d'un outil qui contrôle la cinétique et la thermodynamique d'assemblage de l'ADN dans un seul solvant. Ce solvant offre également des propriétés améliorées pour la nanotechnologie et pour la stabilité de ces nanomatériaux en solution."

Gállego avait travaillé dans la nanotechnologie de l'ADN avant de venir à Georgia Tech, et était convaincu que des solvants alternatifs pouvaient faire avancer ce domaine. Chez Georgia Tech, il a évalué de nouveaux solvants à utiliser avec des nanostructures d'ADN, solvants qui avaient été conçus à d'autres fins. Un solvant qu'il a testé, appelée glycholine qui est un mélange de glycérol et de chlorure de choline, a permis à une structure d'origami d'ADN bidimensionnel de s'assembler en six jours à une température de 20 degrés Celsius.

Non seulement la glycholine a assemblé la structure de l'ADN à une température relativement basse, mais il évitait aussi les "pièges cinétiques, " des structures intermédiaires stables, mais pas la structure souhaitée, dit Gallego. Les structures qui ne parviennent pas à s'assembler complètement sont une source majeure de faibles rendements dans le processus de nanofabrication d'ADN.

"Ce solvant pourrait fournir un nouvel outil pour faire des conceptions plus compliquées avec de l'ADN car vous pouvez éviter de piéger ces structures complexes à des étapes intermédiaires, " Il a ajouté. " Les pièges cinétiques sont parmi les goulots d'étranglement pour produire des nanostructures d'ADN plus compliquées. "

La Glycholine est miscible dans l'eau, il peut donc être mélangé dans n'importe quel rapport avec de l'eau pour contrôler la cinétique du processus d'assemblage. Par exemple, une structure qui s'assemble en six jours dans un solvant pur s'assemblera en trois heures dans une solution de glycholine contenant 10 pour cent d'eau. Une caractéristique clé du nouveau système de solvant est qu'il ne nécessite pas de modifications aux conceptions existantes de la nanotechnologie de l'ADN qui ont été développées pour l'eau.

"Vous pouvez aller et venir entre les états hydratés et non hydratés, " a déclaré Gállego. "Ce système de solvant préserve les structures d'ADN qui ont été développées pour fonctionner dans l'eau."

Le système de solvants pourrait améliorer l'utilisation combinée de nanoparticules métalliques et de matériaux à base d'ADN. Dans les solvants aqueux typiques où la nanotechnologie de l'ADN est effectuée, les nanoparticules sont sujettes à l'agrégation. La faible volatilité du solvant pourrait également permettre le stockage de structures d'ADN assemblées sans craindre qu'un milieu à base d'eau ne se dessèche.

L'équipe de recherche, qui comprenait également Martha Grover de la Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering, a jusqu'à présent utilisé le solvant pour assembler trois structures, comprenant deux structures d'origami d'ADN. Dans les travaux futurs, ils espèrent utiliser le contrôle fourni par les solvants sans eau pour obtenir des réarrangements structurels dynamiques de l'ADN qui ne sont pas possibles dans l'eau, et étudier d'autres solvants qui pourraient avoir des propriétés supplémentaires intéressantes pour les applications nanotechnologiques.

"Nous étions convaincus depuis le début que nous trouverions un solvant qui serait compatible avec la nanotechnologie de l'ADN existante, " a ajouté Hud, qui est également directeur du NSF-NASA Center for Chemical Evolution et directeur associé du Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, tous deux à Georgia Tech. "Ce qui était surprenant, c'était de trouver un solvant qui permet l'assemblage de structures plus facilement que dans l'eau. C'était complètement inattendu car la nanotechnologie de l'ADN a été développée dans l'eau."

La recherche sur les solvants sans eau est née de la recherche de Georgia Tech sur les origines de la vie. Hud et ses collègues s'étaient demandé si les molécules nécessaires à la vie, comme l'ancêtre de l'ADN, aurait pu se développer dans une solution sans eau. Dans certains cas, il a noté, la chimie nécessaire pour fabriquer les molécules de la vie serait beaucoup plus facile sans la présence d'eau.

"Ce travail a été inspiré par la recherche sur les origines de la vie avec la question fondamentale de savoir si des structures d'ADN complexes pourraient exister dans des solvants non aqueux, et nous avons montré qu'ils peuvent, " a déclaré Hud. " Et ce que nous avons trouvé en travaillant avec ces nouveaux solvants pourrait aider à répondre à certaines questions sur les origines de la vie, tout en ayant des applications en nanotechnologie.