Les physico-chimistes ont conçu un moteur roulant à base d'ADN de 1, 000 fois plus rapide que tout autre moteur à ADN synthétique, lui donnant un potentiel pour des applications dans le monde réel, comme le diagnostic des maladies. Nature Nanotechnologie publie le résultat.

"Contrairement à d'autres moteurs synthétiques à base d'ADN, qui utilisent des jambes pour "marcher" comme de minuscules robots, le nôtre est le premier moteur à ADN roulant, le rendant beaucoup plus rapide et plus robuste, " dit Khalid Salaita, le chimiste de l'Université Emory qui a dirigé la recherche. "C'est comme l'équivalent biologique de l'invention de la roue pour le domaine des machines à ADN."

La vitesse du nouveau moteur à base d'ADN, qui est alimenté par la ribonucléase H, signifie qu'un simple microscope de téléphone intelligent peut capturer son mouvement par vidéo. Les chercheurs ont déposé un brevet de divulgation d'invention pour le concept d'utilisation du mouvement des particules de leur moteur moléculaire roulant comme capteur pour tout, d'une simple mutation d'ADN dans un échantillon biologique aux métaux lourds dans l'eau.

"Notre méthode offre un moyen de faire à moindre coût, diagnostics low-tech dans des contextes aux ressources limitées, " dit Salaita.

Le domaine des moteurs synthétiques à base d'ADN, également connu sous le nom de nano-marcheurs, a environ 15 ans. Les chercheurs s'efforcent de reproduire l'action des nano-marcheurs de la nature. Myosine, par exemple, sont de minuscules mécanismes biologiques qui « marchent » sur des filaments pour transporter les nutriments dans tout le corps humain.

"C'est le summum de la science-fiction, " Salaita dit de la quête pour créer de minuscules robots, ou nano-bots, qui pourrait être programmé pour faire vos enchères. "Les gens ont rêvé d'envoyer des nano-robots pour livrer des médicaments ou pour réparer des problèmes dans le corps humain."

Jusque là, cependant, les efforts de l'humanité ont été bien en deçà de la myosine de la nature, qui accélère sans effort ses courses biologiques. "La capacité de la myosine à convertir l'énergie chimique en énergie mécanique est étonnante, ", dit Salaita. "Ce sont les moteurs les plus efficaces que nous connaissons aujourd'hui."

Certains nano-marcheurs synthétiques se déplacent sur deux jambes. Ce sont essentiellement des enzymes constituées d'ADN, alimenté par l'ARN catalyseur. Ces nano-marcheurs ont tendance à être extrêmement instables, en raison des niveaux élevés de mouvement brownien à l'échelle nanométrique. D'autres versions avec quatre, et même six, les jambes se sont avérées plus stables, mais beaucoup plus lent. En réalité, leur rythme est glacial :un moteur à quatre pattes basé sur l'ADN aurait besoin d'environ 20 ans pour se déplacer d'un centimètre.

Kevin Yehl, un post-doctorant au laboratoire Salaita, a eu l'idée de construire un moteur à base d'ADN en utilisant une sphère de verre de la taille d'un micron. Des centaines de brins d'ADN, ou "jambes, " sont autorisés à se lier à la sphère. Ces pattes d'ADN sont placées sur une lame de verre recouverte du réactif :l'ARN.

Les pattes d'ADN sont attirées par l'ARN, mais dès qu'ils y mettent le pied, ils le détruisent grâce à l'activité d'une enzyme appelée RNase H. Au fur et à mesure que les jambes se lient puis se libèrent du substrat, ils guident la sphère le long, permettant à plus de pattes d'ADN de continuer à se lier et à tirer.

"C'est ce qu'on appelle un mécanisme de pont brûlé, " explique Salaita. " Partout où les jambes de l'ADN marchent, ils piétinent et détruisent le réactif. Ils doivent continuer d'avancer et marcher là où ils n'ont pas marché afin de trouver plus de réactif. »

La combinaison du mouvement de roulement, et la vitesse de l'enzyme RNase H sur un substrat, confère au nouveau moteur DNA sa stabilité et sa vitesse.

"Notre moteur basé sur l'ADN peut parcourir un centimètre en sept jours, au lieu de 20 ans, ce qui en fait 1, 000 fois plus rapide que les anciennes versions, " dit Salaita. " En fait, les moteurs à myosine de la nature ne sont que 10 fois plus rapides que les nôtres, et il leur a fallu des milliards d'années pour évoluer."

Les chercheurs ont démontré que leurs moteurs roulants peuvent être utilisés pour détecter une seule mutation de l'ADN en mesurant le déplacement des particules. Ils ont simplement collé des lentilles de deux pointeurs laser bon marché à l'appareil photo d'un téléphone intelligent pour transformer le téléphone en microscope et capturer des vidéos du mouvement des particules.

« À l'aide d'un téléphone intelligent, nous pouvons obtenir une lecture de tout ce qui interfère avec la réaction enzyme-substrat, car cela va changer la vitesse de la particule, " dit Salaita. "Par exemple, nous pouvons détecter une seule mutation dans un brin d'ADN."

Ce simple, une méthode de faible technologie pourrait s'avérer utile pour effectuer une détection diagnostique d'échantillons biologiques sur le terrain, ou n'importe où avec des ressources limitées.

La preuve que les moteurs roulent sont venus par accident, ajoute Salaita. Au cours de leurs expériences, deux des sphères de verre se sont parfois collées ensemble, ou dimérisé. Au lieu de faire un sentier errant, ils ont laissé une paire de droites, des pistes parallèles à travers le substrat, comme une tondeuse à gazon coupant l'herbe.

"C'est le premier exemple d'un moteur moléculaire synthétique qui va en ligne droite sans piste ni champ magnétique pour le guider, " dit Salaita.

En plus de Salaita et Yehl, les co-auteurs sur le Nature Nanotechnologie papier incluent les chercheurs d'Emory Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Eric Semaines, Andrew Mugler (qui est maintenant à l'Université Purdue) et Mengzhen Fan (Université d'Oxford).