L'ADN est l'une des molécules les plus étonnantes de la nature, fournissant un moyen de transporter les instructions nécessaires pour créer presque n'importe quelle forme de vie sur Terre dans un emballage microscopique. Maintenant, les scientifiques trouvent des moyens de pousser l'ADN encore plus loin, en l'utilisant non seulement pour stocker des informations, mais pour créer des composants physiques dans une gamme de machines biologiques.

L'acide désoxyribonucléique ou « ADN » porte l'information génétique que nous, et tous les organismes vivants, utiliser pour fonctionner. Il se présente généralement sous la forme de la célèbre forme en double hélice, composé de deux molécules d'ADN simple brin repliées en spirale. Chacun d'eux est composé d'une série de quatre types différents de composants moléculaires :l'adénine (A), guanine (G), thymine (T), et la cytosine (C).

Les gènes sont constitués de différentes séquences de ces éléments constitutifs, et l'ordre dans lequel ils apparaissent dans un brin d'ADN est ce qui code l'information génétique. Mais en concevant précisément différents A, G, séquences T et C, les scientifiques ont récemment pu développer de nouvelles façons de plier l'ADN en différentes formes d'origami, au-delà de la double hélice conventionnelle.

Cette approche a ouvert de nouvelles possibilités d'utilisation de l'ADN au-delà de sa finalité génétique et biologique, en le transformant en un matériau de type Lego pour construire des objets de quelques milliardièmes de mètre de diamètre (à l'échelle nanométrique). Les matériaux à base d'ADN sont maintenant utilisés pour une variété d'applications, allant des modèles pour les nano-dispositifs électroniques, aux moyens de transporter précisément les médicaments vers les cellules malades.

Nanothermomètres à base d'ADN

Concevoir des appareils électroniques de quelques nanomètres ouvre toutes sortes d'applications possibles, mais rend plus difficile la détection des défauts. Pour y remédier, des chercheurs de l'Université de Montréal ont utilisé l'ADN pour créer des thermomètres ultrasensibles à l'échelle nanométrique qui pourraient aider à trouver de minuscules points chauds dans les nanodispositifs (ce qui indiquerait un défaut). Ils pourraient également être utilisés pour surveiller la température à l'intérieur des cellules vivantes.

Les nanothermomètres sont fabriqués à l'aide de boucles d'ADN qui agissent comme des interrupteurs, pliage ou dépliage en réponse aux changements de température. Ce mouvement peut être détecté en attachant des sondes optiques à l'ADN. Les chercheurs veulent maintenant construire ces nanothermomètres dans des dispositifs à ADN plus grands qui peuvent fonctionner à l'intérieur du corps humain.

Nanorobots biologiques

Des chercheurs de la Harvard Medical School ont utilisé l'ADN pour concevoir et construire un robot nanométrique qui agit comme un véhicule d'administration de médicaments pour cibler des cellules spécifiques. Le nanorobot se présente sous la forme d'un tonneau ouvert fait d'ADN, dont les deux moitiés sont reliées par une charnière maintenue fermée par des poignées spéciales en ADN. Ces poignées peuvent reconnaître des combinaisons de protéines spécifiques présentes à la surface des cellules, y compris celles associées aux maladies.

Lorsque le robot entre en contact avec les bonnes cellules, il ouvre le conteneur et livre sa cargaison. Lorsqu'il est appliqué à un mélange de cellules sanguines humaines saines et cancéreuses, ces robots ont montré la capacité de cibler et de tuer la moitié des cellules cancéreuses, tandis que les cellules saines sont restées indemnes.

Les bio-ordinateurs chez les animaux vivants

Parce que les structures d'ADN peuvent agir comme des commutateurs, passer d'une position à une autre et vice-versa, ils peuvent être utilisés pour effectuer les opérations logiques qui rendent les calculs informatiques possibles. Des chercheurs de Harvard et de l'Université Bar-Ilan en Israël ont utilisé ce principe pour construire différents robots à l'échelle nanométrique qui peuvent interagir les uns avec les autres, utilisant leurs commutateurs ADN pour réagir et produire différents signaux.

Quoi de plus, les scientifiques ont implanté les robots dans un animal vivant, dans ce cas un cafard. Cela leur a permis de développer un nouveau type d'ordinateur biologique capable de contrôler l'administration de molécules thérapeutiques à l'intérieur de la blatte en activant ou en désactivant des éléments de leur structure. Un essai de ces nanorobots à ADN est maintenant prévu chez l'homme.

Antennes de collecte de lumière

En plus de créer de minuscules machines, L'ADN peut nous fournir un moyen de copier des processus naturels à l'échelle nanométrique. Par exemple, la nature peut capter l'énergie du soleil en utilisant la photosynthèse pour convertir la lumière en énergie chimique, qui agit comme carburant pour les plantes et autres organismes (et les animaux qui les mangent). Des chercheurs de l'Arizona State University et de l'Université de la Colombie-Britannique ont maintenant construit une structure d'ADN à trois bras qui peut capturer et transférer la lumière qui imite ce processus.

La photosynthèse se produit dans les organismes vivants grâce à de minuscules antennes composées d'un grand nombre de molécules de pigment à des orientations et à des distances spécifiques les unes des autres, capables d'absorber la lumière visible. Les structures artificielles basées sur l'ADN agissent comme des antennes similaires, contrôler la position de molécules de colorant spécifiques qui absorbent l'énergie lumineuse et la canalisent vers un centre de réaction où elle est convertie en énergie chimique. Ces travaux pourraient ouvrir la voie à des appareils capables d'utiliser plus efficacement la source d'énergie la plus abondante dont nous disposons :la lumière du soleil.

Alors, quelle est la prochaine étape pour la nanotechnologie de l'ADN ? C'est difficile à savoir mais, avec de l'ADN, la nature nous a donné un outil très polyvalent. A nous maintenant d'en faire le meilleur usage.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).