La ligne en gras, connu sous le nom d'arbre couvrant, suit la forme géométrique souhaitée, toucher chaque sommet une seule fois. Un algorithme de spanning tree est utilisé dans la nouvelle méthode d'origami d'ADN pour tracer le chemin de routage approprié pour le brin d'ADN. Crédit :domaine public
Parmi les précieuses collections de la Wellcome Library de Londres se trouve un croquis au crayon réalisé en 1953 par Francis Crick. Le dessin est l'un des premiers à montrer la structure en double hélice de l'ADN, le plan de la nature pour la conception des escargots de mer, êtres humains, et toute autre forme vivante sur terre.
Peu de gens auraient pu prédire cependant, que les propriétés simples d'auto-assemblage de l'ADN, et sa capacité polyvalente de transport d'informations, pourrait être mis à de nombreuses utilisations jamais imaginées par Watson et Crick, (ou bien, par la nature elle-même).
Dans les nouvelles recherches apparaissant dans l'édition en ligne anticipée de la revue Science , Marc Bathe, avec leurs collègues Hao Yan de l'ASU et Wah Chiu du Baylor College of Medicine, décrivent une nouvelle méthode pour concevoir des formes géométriques construites à partir de l'ADN. Ils présentent une nouvelle variante d'une technique connue sous le nom d'origami ADN, dans lequel les propriétés d'appariement de bases de l'ADN sont exploitées pour la construction de structures minuscules en 2 et 3 dimensions.
"Un défi important dans le domaine de la nanotechnologie de l'ADN est de concevoir toutes les structures souhaitables de manière descendante, sans grande contribution humaine concernant les détails des chemins de repliement des brins d'ADN, " dit Yan.
Ses collaborateurs au MIT, dirigé par Mark Bathe, développé un algorithme informatique pour concevoir des nanostructures d'ADN en saisissant uniquement une forme cible. Ils ont conçu une plate-forme logicielle capable de calculer et de produire les brins d'ADN nécessaires pour former des architectures de concepteur. La formation de ces structures a ensuite été systématiquement caractérisée et confirmée expérimentalement dans les trois instituts. « Cela met vraiment en valeur la science collaborative interdisciplinaire à travers le pays, " Yan dit
Yan dirige le Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics à l'Arizona State University.
D'autres mondes
L'équipe conçoit des structures utiles à une échelle étonnamment minuscule. (Un nanomètre est un milliardième de mètre ou environ la taille d'une molécule de sucre.) Techniques d'imagerie spécialisées, y compris la force atomique et la cryo-microscopie électronique sont utilisées pour visualiser les formes résultantes.
La technique simplifiée décrite promet d'étendre considérablement l'utilisation de l'origami à ADN au-delà de la communauté des spécialistes et d'élargir la gamme d'applications possibles en science biomoléculaire et en nanotechnologie. Il s'agit notamment de l'utilisation de nanoparticules pour l'administration de médicaments et le ciblage cellulaire, la construction de robots à l'échelle nanométrique capables d'effectuer diverses activités en médecine et dans l'industrie et la conception de dispositifs optiques sur mesure.
L'une des innovations les plus excitantes à l'horizon implique l'utilisation de l'ADN comme support de stockage, avec des temps de rétention se chiffrant en millions d'années. (Un seul gramme d'ADN peut stocker environ 700 téraoctets d'informations, soit une quantité équivalente à 14, 000 disques Blu-ray de 50 gigaoctets. Plus loin, une telle mémoire d'acide nucléique pourrait potentiellement fonctionner avec une fraction de l'énergie requise pour d'autres options de stockage d'informations.)
Changement de forme
La nouvelle méthode de conception, qui peut produire pratiquement n'importe quelle forme polyédrique, repose sur une stratégie descendante, qui commence par un aperçu de la forme souhaitée et fonctionne en arrière par étapes pour définir la séquence d'ADN requise qui se pliera correctement pour former le produit fini.
L'illustration montre le processus de base utilisé pour concevoir des nanostructures d'origami d'ADN. D'abord, une structure filaire de la conception cible prévue est réalisée. Le logiciel traduit ensuite cela en un plan pour le routage de l'échafaudage d'ADN et des brins d'agrafes, qui s'assemblent pour former la forme désirée. Crédit :Institut de Biodesign
Le processus autonome est réalisé à l'aide d'un logiciel conçu par les auteurs. Connu sous le nom de DAEDALUS (pour DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-Defined Structures), le programme effectue la conception inverse de nanoformes d'origami d'ADN arbitraires, basé sur un maillage filaire d'entrée, (une représentation visuelle du clos, surface géométrique en 3 dimensions).
Le programme n'est pas seulement convivial, mais très polyvalent, produire des formes non limitées à la topologie sphérique, (c'est à dire., fermé, structures à deux faces sans limites ni trous). Une fois que la forme cible a été décrite comme un réseau de nœuds et d'arêtes, Des brins d'échafaudage d'ADN de longueur et de séquence personnalisées sont générés à l'aide d'une technologie connue sous le nom de réaction en chaîne par polymérase asymétrique.
La nouvelle étude décrit la fabrication d'une variété d'objets géométriques d'ADN, dont 35 formes polyédriques (platonicienne, Archimédien, solides de Johnson et de Catalan) 6 structures asymétriques, et quatre polyèdres à topologie non sphérique, en utilisant des principes de conception inverse. Le procédé peut produire des nanoformes avec une fidélité et une stabilité élevées sans le processus laborieux normal de conception manuelle de paires de bases pour former la structure cible prévue.
Entrer dans le giron
DNA-origami ramène l'ancienne méthode japonaise de pliage du papier à l'échelle moléculaire. Les bases sont simples :prenez une longueur d'ADN simple brin et guidez-la dans la forme souhaitée, la fixation de la structure entre elles à l'aide de brins plus courts dits discontinus, qui se lient à des endroits stratégiques le long de la plus grande longueur de l'ADN. La méthode repose sur le fait que les quatre lettres nucléotidiques de l'ADN—A, T, C, &G se serrent les coudes de manière cohérente ; Comme toujours jumelage avec Ts et Cs avec Gs.
La molécule d'ADN dans sa forme caractéristique double brin est assez rigide, par rapport à l'ADN simple brin, qui est souple. Pour cette raison, L'ADN simple brin constitue un matériau d'échafaudage de type dentelle idéal. Plus loin, ses propriétés d'appariement sont prévisibles et cohérentes, (contrairement à l'ARN, ce qui est considéré comme de la promiscuité, en raison d'appariements de bases qui peuvent être inattendus).
La technique a fait ses preuves dans la création d'une myriade de formes en 2 et 3 dimensions, qui s'auto-assemblent facilement lorsque les séquences d'ADN conçues sont mélangées. La partie délicate consiste à préparer la séquence d'ADN et la conception de routage appropriées pour l'échafaudage et les brins d'agrafes afin d'obtenir la structure cible souhaitée. Typiquement, il s'agit d'un travail minutieux qui doit être effectué manuellement.
Avec la nouvelle technique, la structure cible est d'abord décrite en termes de treillis métallique constitué de polyèdres. De là, un algorithme d'arbre couvrant est généré. Il s'agit essentiellement d'une carte qui guidera automatiquement le routage du brin d'échafaudage d'ADN à travers toute la structure de l'origami, toucher chaque sommet de la forme géométrique, une fois que. Des brins d'agrafes complémentaires sont ensuite attribués et la forme finale s'auto-assemble.
Pour tester la méthode, des formes plus simples connues sous le nom de solides platoniciens ont d'abord été fabriquées, puis des structures de plus en plus complexes. Ceux-ci comprenaient des objets avec des topologies non sphériques et des détails internes inhabituels, qui n'avait jamais été réalisé expérimentalement auparavant.
Les conceptions terminées ont démontré la capacité de la technique descendante à générer automatiquement des routages d'échafaudage et d'agrafes pour une large gamme de nanoformes, basé uniquement sur la géométrie de la surface. Cryo-EM a été utilisé pour confirmer la fidélité structurelle et la stabilité des structures d'origami assemblées.
D'autres expériences ont confirmé que les structures d'ADN produites étaient potentiellement adaptées à des applications biologiques car elles présentaient une stabilité à long terme dans des conditions sériques et pauvres en sel.
La recherche ouvre la voie au développement de systèmes nanométriques conçus imitant les propriétés des virus, organismes photosynthétiques et autres produits sophistiqués de l'évolution naturelle.
En plus de sa nomination à l'Institut Biodesign, Hao Yan est le professeur distingué Milton D. Glick, Collège des arts libéraux et des sciences, École des sciences moléculaires de l'ASU.
