En utilisant de l'ADN plié pour placer avec précision des molécules incandescentes dans des résonateurs à lumière microscopique, des chercheurs de Caltech ont créé l'une des plus petites reproductions au monde de La Nuit étoilée de Vincent van Gogh. La reproduction et la technique utilisée pour la créer sont décrites dans un article publié dans l'édition en ligne anticipée de la revue La nature le 11 juillet.

L'image monochrome - juste la largeur d'un centime - était un projet de preuve de concept qui a démontré, pour la première fois, comment le placement de précision de l'origami d'ADN peut être utilisé pour construire des dispositifs à base de puces comme des circuits informatiques à des échelles plus petites que jamais.

Origami ADN, développé il y a 10 ans par Paul Rothemund de Caltech (BS '94), est une technique qui permet aux chercheurs de plier un long brin d'ADN dans n'importe quelle forme désirée. L'ADN replié agit alors comme un échafaudage sur lequel les chercheurs peuvent attacher et organiser toutes sortes de composants à l'échelle nanométrique, des molécules fluorescentes aux nanotubes de carbone électriquement conducteurs aux médicaments.

"Pensez-y un peu comme les panneaux perforés que les gens utilisent pour organiser les outils dans leurs garages, seulement dans ce cas, le panneau perforé s'assemble à partir de brins d'ADN et les outils trouvent également leurs propres positions, " dit Rothemund, professeur-chercheur en bio-ingénierie, informatique et sciences mathématiques, et le calcul et les systèmes neuronaux. « Tout se passe dans une éprouvette sans intervention humaine, ce qui est important car toutes les pièces sont trop petites pour être manipulées efficacement, et nous voulons fabriquer des milliards d'appareils."

Le processus a le potentiel d'influencer une variété d'applications allant de l'administration de médicaments à la construction d'ordinateurs à l'échelle nanométrique. Mais pour de nombreuses applications, organiser des composants à l'échelle nanométrique pour créer des dispositifs sur des plaques d'ADN ne suffit pas ; les appareils doivent être câblés ensemble dans des circuits plus grands et doivent avoir un moyen de communiquer avec des appareils à plus grande échelle.

Une première approche consistait à fabriquer d'abord des électrodes, puis disperser les appareils au hasard sur une surface, dans l'espoir qu'au moins quelques-uns atterrissent là où ils le souhaitent, une méthode que Rothemund décrit comme « pulvériser et prier ».

En 2009, Rothemund et ses collègues d'IBM Research ont d'abord décrit une technique grâce à laquelle l'origami d'ADN peut être positionné à des emplacements précis sur des surfaces en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons pour graver des sites de liaison collants qui ont la même forme que l'origami. Par exemple, des plaques collantes triangulaires lient l'ADN plié en triangle.

Au cours des sept dernières années, Rothemund et Ashwin Gopinath, chercheur postdoctoral senior en bio-ingénierie à Caltech, ont affiné et étendu cette technique afin que les formes d'ADN puissent être positionnées avec précision sur presque toutes les surfaces utilisées dans la fabrication de puces informatiques. Dans le La nature papier, ils rapportent la première application de la technique en utilisant l'origami d'ADN pour installer des molécules fluorescentes dans des sources lumineuses microscopiques.

"C'est comme utiliser de l'origami ADN pour visser des ampoules moléculaires dans des lampes microscopiques, " dit Rothemund.

Dans ce cas, les lampes sont des structures microfabriquées appelées cavités à cristaux photoniques (PCC), qui sont réglés pour résonner à une longueur d'onde de lumière particulière, un peu comme un diapason vibre avec une hauteur particulière. Créé à l'intérieur d'une fine membrane semblable à du verre, un PCC prend la forme d'un défaut en forme de bactérie dans un nid d'abeilles par ailleurs parfait de trous.

"Selon la taille exacte et l'espacement des trous, une longueur d'onde particulière de la lumière se réfléchit sur le bord de la cavité et est piégée à l'intérieur, " dit Gopinath, l'auteur principal de l'étude. Il a construit des PCC qui sont réglés pour résonner à environ 660 nanomètres, la longueur d'onde correspondant à une nuance profonde de la couleur rouge. Des molécules fluorescentes réglées pour briller à une longueur d'onde similaire illuminent les lampes, à condition qu'elles collent exactement au bon endroit dans le PCC.

"Une molécule fluorescente réglée sur la même couleur qu'un PCC brille en fait plus intensément à l'intérieur de la cavité, mais la force de cet effet de couplage dépend fortement de la position de la molécule dans la cavité. Quelques dizaines de nanomètres font la différence entre la molécule qui brille de mille feux, ou pas du tout, " dit Gopinath.

En déplaçant l'origami d'ADN à travers les PCC par pas de 20 nanomètres, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient tracer un motif en damier de points chauds et froids, où les ampoules moléculaires brillaient faiblement ou fortement. Par conséquent, ils ont pu utiliser l'origami d'ADN pour positionner des molécules fluorescentes afin de fabriquer des lampes d'intensité variable. Des structures similaires ont été proposées pour alimenter les ordinateurs quantiques et pour une utilisation dans d'autres applications optiques qui nécessitent de nombreuses minuscules sources lumineuses intégrées ensemble sur une seule puce.

"Tous les travaux antérieurs couplant les émetteurs de lumière aux PCC n'ont réussi à créer qu'une poignée de lampes de travail, en raison de l'extraordinaire difficulté de contrôler de manière reproductible le nombre et la position des émetteurs dans une cavité, " Gopinath dit. Pour prouver leur nouvelle technologie, les chercheurs ont décidé de passer à l'échelle et de fournir une démonstration visuellement convaincante. En créant des PCC avec différents nombres de sites de liaison, Gopinath a pu installer de manière fiable n'importe quel nombre de zéro à sept origami ADN, lui permettant de contrôler numériquement la luminosité de chaque lampe. Il a traité chaque lampe comme un pixel avec l'une des huit intensités différentes, et a produit un tableau de 65, 536 pixels du PCC (une grille de 256 x 256 pixels) pour créer une reproduction de "La nuit étoilée" de Van Gogh.

Maintenant que l'équipe peut combiner de manière fiable des molécules avec des PCC, ils travaillent à améliorer les émetteurs de lumière. Actuellement, les molécules fluorescentes durent environ 45 secondes avant de réagir avec l'oxygène et de "s'épuiser, " et ils émettent quelques nuances de rouge plutôt qu'une seule couleur pure. Résoudre ces deux problèmes aidera avec des applications telles que les ordinateurs quantiques.

« En dehors des candidatures, il y a beaucoup de science fondamentale à faire, " dit Gopinath.