Le dispositif CFM de paillasse, constitué de l'unité CFM elle-même (sur le dessus), des pièces pour transmettre le signal de la caméra ainsi qu'une batterie (à droite), s'intègre dans deux seaux standard d'une centrifugeuse de laboratoire commune qui sont équilibrés par des contrepoids dans les seaux opposés respectifs. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard.
De la tension des fibres musculaires en contraction aux contraintes hydrodynamiques dans le sang qui coule, les molécules de notre corps sont soumises à une grande variété de forces mécaniques qui influencent directement leur forme et leur fonction. En analysant les réponses de molécules individuelles dans des conditions où elles subissent de telles forces, nous pouvons développer une meilleure compréhension de nombreux processus biologiques, et potentiellement, développer des médicaments à action plus précise. Mais jusqu'à présent, l'analyse expérimentale des interactions d'une seule molécule sous la force était coûteuse, fastidieuse et difficile à réaliser car elle nécessite l'utilisation d'un matériel sophistiqué, comme un microscope à force atomique ou des pincettes optiques, qui ne permettent l'analyse que d'une molécule à la fois.
Maintenant, une équipe de recherche dirigée par Wesley Wong au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et au Boston Children's Hospital a réalisé une avancée majeure en développant une méthode peu coûteuse qui permet d'analyser les réponses de force de milliers de molécules similaires simultanément. Ils rapportent en Communication Nature comment les nanocommutateurs d'ADN programmables peuvent être utilisés en combinaison avec un microscope à force centrifuge (CFM) miniaturisé nouvellement conçu comme un outil hautement fiable pour observer des milliers de molécules individuelles et leurs réponses aux forces mécaniques en parallèle.
"Cette nouvelle approche combinée nous permettra, ainsi qu'à d'autres, d'examiner comment les complexes de molécules uniques se comportent lorsqu'ils sont déséquilibrés par la force réglable générée dans notre CFM nouvellement conçu. En basant cet instrument sur quelque chose que la plupart des chercheurs possèdent et utilisent déjà— la centrifugeuse de paillasse - nous espérons rendre les mesures de force d'une molécule unique accessibles à presque tout le monde, " dit Wong, Doctorat., qui est membre du corps professoral associé du Wyss Institute et auteur principal de l'étude. Il est également professeur adjoint à la Harvard Medical School dans les départements de chimie biologique et de pharmacologie moléculaire et de pédiatrie, et chercheur dans le programme de médecine cellulaire et moléculaire du Boston Children's Hospital.
L'image du haut montre un nanocommutateur d'ADN qui forme une structure en boucle lorsqu'une liaison est formée entre les composants réactifs attachés (par exemple, la paire récepteur-ligand illustrée en rouge et vert); à une extrémité, il est attaché à la platine d'échantillonnage et à l'autre à un bourrelet (en haut). En appliquant des forces centrifuges au bourrelet dans le dispositif CFM, la liaison entre les composants réactifs peut être rompue à plusieurs reprises, ouvrir la boucle et augmenter la longueur de l'attache ADN (en bas), permettant des mesures très fiables des interactions moléculaires. Au CFM, de nombreuses billes peuvent être interrogées en parallèle, permettant des mesures de molécules uniques à haut débit (en bas à gauche). Dans la vidéo en bas à droite, la caméra capture ces événements de rupture en temps réel en enregistrant le cordon à un endroit différent. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard.
Les efforts antérieurs menés par Wong au Rowland Institute à Harvard ont introduit le premier CFM en 2010, qui était un instrument hautement spécialisé qui effectuait des mesures de force de précision à haut débit sur des molécules uniques en les attachant à des billes et en les tirant à l'aide de la force centrifuge. Dans sa dernière itération CFM, Wong et son équipe ont développé un moyen d'effectuer la même technique avec une précision similaire à l'aide d'un petit microscope peu coûteux fabriqué à partir d'éléments faciles à assembler et de pièces imprimées en 3D qui peuvent être insérées dans le seau oscillant d'une centrifugeuse de paillasse standard trouvée dans pratiquement tous les laboratoires de recherche biomédicale.
En outre, l'équipe a augmenté la robustesse et la précision du test en intégrant des milliers de nanocommutateurs d'ADN, brins d'ADN linéaires avec des paires de molécules en interaction qui sont associées à deux séquences en leur milieu et qui, en outre, en se liant les uns aux autres, créez une boucle d'ADN interne ; les extrémités des nanocommutateurs sont attachées à la surface de l'échantillon d'un côté et à des billes de l'autre.
"En appliquant une gamme définie de forces centrifuges aux billes, nous pouvons provoquer la rupture des complexes moléculaires générant les structures d'ADN en boucle qui seront enregistrées par l'objectif couplé à la caméra. Surtout, l'utilisation de nanocommutateurs d'ADN comme échafaudage stable nous permet de répéter ce processus plusieurs fois avec la même molécule dans des conditions à température contrôlée, ce qui améliore considérablement notre précision dans la détermination de l'hétérogénéité qu'une seule interaction moléculaire peut afficher, " a déclaré Darren Yang, le premier auteur de l'étude et un étudiant diplômé de l'équipe de Wong.
Dans des recherches futures, les nanocommutateurs d'ADN associés aux billes peuvent être utilisés pour assembler et rompre à plusieurs reprises de nombreux complexes biomoléculaires différents et pour définir les forces mécaniques qui les contrôlent. « Les nanocommutateurs ADN intégrés sont très modulaires, et peut être fonctionnalisé avec de nombreuses biomolécules différentes de manière essentiellement plug-and-play, permettre d'étudier une grande variété d'interactions moléculaires avec un débit et une fiabilité élevés, " a ajouté Wong.
Prochain, les scientifiques de Wyss prévoient d'appliquer leur CFM miniature amélioré par nanocommutateur d'ADN à l'étude de certaines interactions moléculaires pertinentes sur le plan biomédical et dépendantes de la force, telles que les interactions protéiques régissant la coagulation du sang ou l'audition.
"L'équipe de Wong a créé une nouvelle plate-forme technologique qui réduit considérablement le coût de l'analyse de la force d'une molécule unique et la rend largement accessible à la communauté scientifique. En plus d'améliorer notre compréhension des relations structure-fonction moléculaire de base, il peut s'avérer être un outil précieux pour le développement de médicaments, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire à la Harvard Medical School et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, et professeur de bio-ingénierie à SEAS.
