ADN, le fondement moléculaire de la vie, a de nouveaux atouts dans son sac. Les quatre bases à partir desquelles il est composé s'emboîtent comme des pièces de puzzle et peuvent être artificiellement manipulées pour construire des formes infiniment variées en deux et trois dimensions. La technique, connu sous le nom d'origami ADN, promet de mettre sur le marché des innovations microélectroniques et biomédicales futuristes.

Hao Yan, chercheur au Biodesign Institute de l'Arizona State University, a travaillé pendant de nombreuses années pour affiner la technique. Son objectif est de composer de nouveaux ensembles de règles de conception, élargissant considérablement la gamme d'architectures nanométriques générées par la méthode. Dans de nouvelles recherches, une variété de nanoformes innovantes sont décrites, chacun affichant un contrôle de conception sans précédent.

Yan est titulaire de la Chaire émérite Milton D. Glick de chimie et de biochimie et dirige le Centre de conception moléculaire et de biomimétique de Biodesign.

Dans l'étude actuelle, des nano-formes complexes affichant des architectures filaires arbitraires ont été créées, en utilisant un nouvel ensemble de règles de conception. "Les méthodes de conception antérieures utilisaient des stratégies comprenant l'arrangement parallèle d'hélices d'ADN pour se rapprocher de formes arbitraires, mais le réglage précis des architectures filaires d'ADN qui relient les sommets dans l'espace 3D a nécessité une nouvelle approche, " dit Yan.

Yan a longtemps été fasciné par la capacité apparemment illimitée de la nature pour l'innovation en matière de conception. La nouvelle étude décrit des structures filaires de haute complexité et programmabilité, fabriqué grâce au contrôle précis de la ramification et de la courbure, en utilisant de nouveaux principes d'organisation pour les conceptions. (Les wireframes sont des modèles tridimensionnels squelettiques représentés uniquement par des lignes et des sommets.)

Les nanoformes résultantes comprennent des réseaux de réseaux symétriques, structures quasi-cristallines, tableaux curvilignes, et un simple croquis d'art de fil à l'échelle 100 nm, ainsi que des objets 3D dont un cube snub avec 60 arêtes et 24 sommets et un solide d'Archimède reconfigurable qui peut être contrôlé pour effectuer les transitions de dépliage et de repliement entre la 3D et la 2D.

La recherche apparaît dans l'édition en ligne avancée de la revue Nature Nanotechnologie .

Dans les enquêtes précédentes, le groupe Yan a créé des formes architecturales subtiles à une échelle étonnamment minuscule, certains ne mesurant que des dizaines de nanomètres de diamètre, soit à peu près le diamètre d'une particule virale. Ces nano-objets comprennent des sphères, spirales, flacons, formes de Möbius, et même un robot autonome en forme d'araignée capable de suivre une piste ADN préparée.

La technique de l'origami ADN capitalise sur les propriétés simples d'appariement de bases de l'ADN, une molécule construite à partir des quatre nucléotides Adénine (A), Thymine (T) Cytosine (C) et (Guanine). Les règles du jeu sont simples :les A s'apparient toujours aux T et les C aux G. En utilisant ce vocabulaire abrégé, les myriades de plans corporels de tous les organismes vivants sont construits; bien que la duplication même des conceptions les plus simples de la nature ait exigé une grande ingéniosité.

L'idée de base de l'origami ADN est d'utiliser une longueur d'ADN simple brin comme échafaudage pour la forme souhaitée. L'appariement de bases de nucléotides complémentaires provoque le repliement et l'auto-assemblage de la forme. Le processus est guidé par l'ajout de « brins d'agrafes plus courts, " qui agissent pour aider à plier l'échafaudage et à maintenir la structure résultante ensemble. Diverses technologies d'imagerie sont utilisées pour observer les minuscules structures, y compris la fluorescence-, microscopie à force électronique et à force atomique.

Bien que l'origami d'ADN ait produit à l'origine des nanoarchitectures d'intérêt purement esthétique, les raffinements de la technique ont ouvert la porte à une gamme d'applications passionnantes, y compris les cages moléculaires pour l'encapsulation de molécules, immobilisation et catalyse d'enzymes, outils de détection chimique et biologique, mécanismes d'administration de médicaments, et les appareils de calcul moléculaire.

La technique décrite dans la nouvelle étude va encore plus loin dans cette approche, permettre aux chercheurs de surmonter les restrictions de symétrie locale, créer des architectures filaires avec un degré d'arbitraire et de complexité d'ordre supérieur. Ici, chaque segment de ligne et sommet est conçu et contrôlé individuellement. Le nombre de bras émanant de chaque sommet peut varier de 2 à 10 et les angles précis entre les bras adjacents peuvent être modifiés.

Dans l'étude actuelle, la méthode a d'abord été appliquée aux symétriques, répéter régulièrement des motifs polygonaux, y compris hexagonal, géométries de carrelage carrées et triangulaires. Ces conceptions courantes sont connues sous le nom de motifs de tessellation.

Une stratégie intelligente impliquant une série de ponts et de boucles a été utilisée pour acheminer correctement le brin d'échafaudage, lui permettant de traverser toute la structure, toucher toutes les lignes du filaire une et une seule fois. Des brins d'agrafes ont ensuite été appliqués pour compléter les dessins.

Dans les étapes suivantes, les chercheurs ont créé des structures filaires plus complexes, sans la symétrie translationnelle locale trouvée dans les motifs de tessellation. Trois de ces modèles ont été réalisés, y compris une forme d'étoile, une tuile de Penrose de 5 fois et un motif quasicristallin de 8 fois. (Les quasi-cristaux sont des structures hautement ordonnées mais non périodiques. De tels modèles peuvent continuellement remplir l'espace disponible, mais ne sont pas symétriques sur le plan de la traduction.) Des structures en boucle insérées dans des brins d'agrafes et des nucléotides non appariés aux points de sommet des brins d'échafaudage ont également été utilisées, permettant aux chercheurs d'effectuer des modifications de précision sur les angles des bras de jonction.

Les nouvelles règles de conception ont ensuite été testées avec l'assemblage de nanostructures de plus en plus complexes, impliquant des sommets allant de 2 à 10 bras, avec de nombreux angles et courbures différents impliqués, y compris un motif complexe d'oiseaux et de fleurs. L'exactitude de la conception a ensuite été confirmée par l'imagerie AFM, prouvant que la méthode pouvait produire avec succès des nanostructures d'ADN filaires très sophistiquées.

La méthode a ensuite été adaptée pour produire également un certain nombre de structures 3D, comprenant un cuboctaèdre, et un autre solide archimédien connu sous le nom de cube retroussé - une structure avec 60 arêtes, 24 sommets et 38 faces, comprenant 6 carrés et 32 ​​triangles équilatéraux. Les auteurs soulignent que les nouvelles innovations de conception décrites peuvent être utilisées pour composer et construire n'importe quelle nanostructure filaire imaginable, une avancée significative pour le domaine en plein essor.

Sur l'horizon, des structures à l'échelle nanométrique pourraient un jour être mobilisées pour chasser les cellules cancéreuses dans le corps ou servir de chaînes d'assemblage de robots pour la conception de nouveaux médicaments.