Les muscles à l'échelle nanométrique de l'étude sont composés de nanoparticules d'or, qui sont reliés par un ADN simple brin. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les paires de bases trouvées dans l'ADN sont essentielles à sa capacité à stocker des informations codant pour les protéines, mais ils confèrent également à la molécule des propriétés structurelles utiles. L'obtention de deux brins complémentaires d'ADN pour former une double hélice peut servir de base à des mécanismes physiques complexes qui peuvent pousser et tirer des dispositifs à l'échelle moléculaire.
Des ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie ont développé des « muscles » à l'échelle nanométrique qui fonctionnent sur ce principe. En incorporant soigneusement des brins d'ADN personnalisés dans différentes couches de films flexibles, ils peuvent forcer ces films à se plier, boucler et même retourner en introduisant le bon signal ADN. Ils pourraient également inverser ces changements au moyen de différents indices ADN.
Un jour, la flexion de ces muscles pourrait être utilisée dans des appareils de diagnostic, capable de signaler des changements dans l'expression des gènes à l'intérieur des cellules.
Les chercheurs ont démontré ce système dans une étude publiée dans Nature Nanotechnologie .
L'étude a été menée par John C. Crocker et Daeyeon Lee, professeurs de génie chimique et biomoléculaire à la Penn's School of Engineering and Applied Science, avec Tae Soup Shim, qui était alors associé post-doctoral dans les deux groupes de chercheurs. David Chenoweth, professeur assistant de chimie à la Penn's School of Arts &Sciences, et le parc So-Jung, professeur au Département de chimie et de nanosciences de l'Université Ewha Womans, Séoul, également contribué à l'étude. Les autres co-auteurs de Penn incluent Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser et Su Yeon Lee, étudiants diplômés et chercheurs postdoctoraux dans les départements de génie chimique et biomoléculaire, Sciences et génie des matériaux et chimie.
L'ajout d'un brin complémentaire à une couche de ponts d'ADN les fait se dilater et le film s'enrouler. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les muscles à l'échelle nanométrique de l'étude sont composés de nanoparticules d'or, qui sont reliés entre eux par de l'ADN simple brin. Les chercheurs ont construit les films couche par couche, introduire différents ensembles de nanoparticules liées à l'ADN à différentes profondeurs. Chaque ensemble de nanoparticules contenait des liens avec des séquences différentes.
"La façon dont fonctionne l'actionnement, " Crocker a dit, "est que nous ajoutons de l'ADN simple brin qui est complémentaire à une partie des ponts entre les particules. Lorsque cet ADN diffuse, il transforme juste ces ponts en hélices d'ADN double brin."
Parce que la séquence spécifique de l'ADN ajouté est adaptée pour correspondre à différents ensembles de ponts de nanoparticules, les chercheurs pourraient cibler des couches individuelles du film, formant des ponts double brin dans ces couches seulement.
Ce mécanisme était essentiel pour faire fléchir les films, car les ponts simple brin et double brin sont de longueurs différentes.
« Il se trouve que les ADN double brin sont plus longs que les ADN simple brin avec le même nombre de bases, " Crocker a dit, "Alors quand le brin ajouté se lie, le pont s'allonge un peu et le matériau se dilate. Si une seule couche du film se dilate, le film s'enroule."
Les films peuvent reprendre leur forme d'origine au moyen d'un autre brin d'ADN qui sépare les doubles hélices. Crédit :Université de Pennsylvanie
Les chercheurs ont également conçu un moyen de remettre les ponts à leur état d'origine, état simple brin, défaire cette boucle. Les brins qui donnent la queue de curling ont également une "poignée" qui ne se lie pas aux ponts. Tirer sur cette poignée sépare la double hélice des formes d'ADN ajoutées.
"Nous fabriquons le brin que nous avons ajouté pour étendre les ponts un peu plus longtemps que nécessaire, " dit Crocker. " Après qu'il forme une double hélice avec le pont, il y a 7 autres bases d'ADN simple brin restantes qui pendent sur le côté du pont. Pour inverser le processus, nous ajoutons un brin « dénudeur » qui est complémentaire au brin « d'expansion » et à la « poignée » supplémentaire pendante. Il s'hybride en fait à la poignée pendante, puis tire le brin d'expansion du pont, formant une double hélice en solution qui s'envole, permettant au pont de revenir à son plus court, forme simple brin."
Faire en sorte que les films s'enroulent ou se retournent entièrement n'est qu'une preuve de concept pour l'instant, mais ce comportement de flexion semblable à un muscle pourrait avoir de nombreuses applications à l'échelle nanométrique.
Être capable de répondre à un signal et d'ignorer totalement l'autre - impossible pour les systèmes qui fléchissent en fonction des changements de température ou d'acidité - est essentiel pour leur capacité à fonctionner comme des dispositifs de diagnostic.
"Une application 'lointaine' à laquelle nous avons pensé concerne les situations intracellulaires où nous ne pouvons pas contrôler exactement les choses avec des fils ou des équipements sans fil, dit Crocker. "Nous pourrions fabriquer un appareil qui absorbe ou réfléchit une certaine longueur d'onde de lumière en fonction de l'espacement de ses couches internes, et nous pourrions ensuite modifier cet espacement à l'aide d'un signal chimique. Ce signal pourrait être un ARN messager, ainsi, l'appareil fournit une lecture de l'expression génique unicellulaire. Ces dispositifs intracellulaires pourraient être lus au microscope, ou à l'intérieur du corps en utilisant l'imagerie infrarouge."
