Les êtres vivants utilisent l'ADN pour stocker l'information génétique qui fait de chaque plante, bactérie, et être humain unique. La reproduction de cette information est rendue possible parce que les nucléotides de l'ADN - A et T, G's et C's-s'emboîtent parfaitement, comme des pièces de puzzle assorties. Les ingénieurs peuvent profiter de la correspondance entre de longs brins de nucléotides d'ADN pour utiliser l'ADN comme une sorte d'origami moléculaire, le pliant dans tout, des illustrations de visage souriant à l'échelle nanométrique aux dispositifs de distribution de médicaments sérieux.

Paul Rothemund discute du potentiel de telles techniques. Rothemund est professeur-chercheur en bio-ingénierie, informatique et sciences mathématiques, et le calcul et les systèmes neuronaux dans la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech.

Que fais-tu?

J'utilise l'ADN et l'ARN comme matériaux de construction pour créer des formes et des motifs avec une résolution de quelques nanomètres seulement. Les plus petites caractéristiques des structures d'ADN que nous fabriquons sont d'environ 20, 000 fois plus petit que les pixels des écrans d'ordinateur les plus sophistiqués, qui sont chacun d'environ 80 microns de diamètre. Une grande partie de notre travail au cours des 20 dernières années a simplement consisté à déterminer comment faire en sorte que les brins d'ADN ou d'ARN se replient dans la forme souhaitée conçue par ordinateur. Comme nous avons maîtrisé la capacité de créer n'importe quelle forme ou motif que nous désirons, nous sommes passés à l'utilisation de ces formes comme "panneaux perforés" pour organiser d'autres objets de taille nanométrique, telles que les enzymes protéiques, transistors à nanotubes de carbone, et des molécules fluorescentes.

Pourquoi est-ce important?

Chaque tâche dans votre corps, de la digestion des aliments au mouvement des muscles en passant par la détection de la lumière, est alimenté par de minuscules machines biologiques à l'échelle nanométrique, tous construits de bas en haut via l'auto-repliement de molécules telles que les protéines et les ARN. Les milliards de transistors qui composent les puces de nos téléphones portables et de nos ordinateurs mesurent des dizaines de nanomètres, mais ils sont construits de manière "descendante" en utilisant des processus d'impression sophistiqués dans des usines de plusieurs milliards de dollars. Notre objectif est d'apprendre à construire des dispositifs artificiels complexes de la même manière que la biologie en construit des naturels, c'est-à-dire à partir de molécules auto-pliantes qui s'assemblent en structures plus grandes et plus complexes. En plus d'appareils beaucoup moins chers, cela permettra des applications complètement nouvelles, telles que les machines moléculaires artificielles qui peuvent prendre des décisions thérapeutiques complexes et appliquer des médicaments uniquement là où cela est nécessaire.

Comment êtes-vous entré dans ce métier ?

En tant qu'étudiant de premier cycle à Caltech, J'ai eu beaucoup de mal à décider comment combiner mes divers intérêts en informatique, chimie, et la biologie. Heureusement, feu Jan L. A. van de Snepscheut a présenté à sa classe d'informatique l'idée hypothétique de construire une machine à ADN de Turing, une machine très simple qui peut néanmoins exécuter tous les programmes informatiques possibles. Il nous a défiés, suggérant que quelqu'un connaissant à la fois la biochimie et l'informatique pourrait trouver un moyen concret de construire un tel ordinateur ADN. Pour un cours de projet en théorie de l'information avec Yaser Abu-Mostafa, professeur d'électrotechnique et d'informatique, J'ai trouvé un assez inefficace, encore possible, façon de faire cela. À l'époque, Je ne pouvais intéresser aucun professeur de Caltech à construire mon ordinateur ADN, mais peu de temps après, Le professeur de l'USC, Len Adleman, a publié un article sur un ordinateur ADN plus pratique en Science . J'ai rejoint le laboratoire d'Adleman à l'USC en tant qu'étudiant diplômé, et depuis j'essaie d'utiliser l'ADN pour construire des ordinateurs ou d'autres appareils complexes. Je suis revenu à Caltech en tant que post-doctorant en 2001 et suis devenu enseignant-chercheur en 2008.