Ce gif animé dépeint le mécanisme de marche derrière un système de marche ADN qui pourrait trouver des applications biomédicales et industrielles. Crédit :Image de l'Université Purdue/Jared Pike
Les chercheurs ont introduit un nouveau type de microscopie "à super-résolution" et l'ont utilisé pour découvrir le mécanisme de marche précis derrière de minuscules structures faites d'ADN qui pourraient trouver des applications biomédicales et industrielles.
Les chercheurs ont également démontré comment le « DNA walker » est capable de libérer un médicament anticancéreux, représentant une nouvelle technologie biomédicale potentielle, dit Jong Hyun Choi, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Purdue.
Les nanomoteurs et les marcheurs synthétiques sont des systèmes de conception complexe qui tirent l'énergie chimique de l'environnement et la convertissent en mouvement mécanique. Cependant, car ils sont trop petits pour être observés à l'aide de microscopes optiques conventionnels, les chercheurs ont été incapables d'apprendre les étapes précises impliquées dans les mécanismes de marche, connaissances indispensables au perfectionnement de la technologie.
"Si vous ne pouvez pas résoudre ou surveiller ces marcheurs en action, vous ne pourrez pas comprendre leur fonctionnement mécanique, " dit Choi.
Il a dirigé une équipe Purdue qui a résolu ce problème en développant un système de microscopie à super-résolution conçu pour étudier les marcheurs d'ADN. Les nouvelles découvertes sont parues dans la revue Avancées scientifiques le 20 janvier.
Des chercheurs du monde entier créent des moteurs synthétiques basés sur l'ADN et l'ARN, le matériel génétique des cellules constitué d'une séquence de quatre bases chimiques :adénine, guanine, cytosine et thymine. Les conceptions sont inspirées de moteurs biologiques naturels qui ont évolué pour effectuer des tâches spécifiques essentielles au fonctionnement des cellules.
Un nouveau type de microscopie « à super-résolution » a permis aux chercheurs de l'Université Purdue de déterminer le mécanisme de marche derrière un système de marche à ADN qui pourrait trouver des applications biomédicales et industrielles. Le marcheur (A) se déplace le long d'une piste de nanotubes de carbone « décorée » avec des brins de carburant ARN, qu'il récolte pour l'énergie. Une image au microscope à force atomique (B) montre le marcheur d'ADN attaché à cette piste. En bas, des images brutes prises avec le microscope à super-résolution montrant le marcheur d'ADN (vert) voyageant le long de la piste (rouge). Crédit :Purdue University image/Jing Pan
Les chercheurs de Purdue ont conçu un système de marche ADN composé d'un noyau enzymatique et de deux bras. Le marcheur parcourt une piste de nanotubes de carbone "décorée" de brins d'ARN. Le noyau enzymatique clive des segments de ces brins d'ARN au fur et à mesure que le marcheur avance continuellement, la liaison et la récupération de l'énergie de l'ARN. Le marcheur se déplace selon un cycle de six étapes qui se répète tant qu'il y a du carburant ARN.
Une nanoparticule fluorescente est attachée à un bras du marcheur d'ADN, le faisant briller lorsqu'il est exposé à la lumière dans la partie visible du spectre. La piste du nanotube de carbone est également fluorescente lorsqu'elle est exposée à la lumière dans une partie du spectre proche infrarouge. Parce que le nouveau système de microscopie à super-résolution fonctionne à la fois dans les spectres visible et proche infrarouge, il est possible de suivre le mécanisme de marche.
La technologie de super-résolution permet aux chercheurs de résoudre des caractéristiques structurelles bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière visible, ce qui est normalement difficile avec des microscopes conventionnels en raison de la limite de diffraction d'Abbe, établi par le physicien Ernst Abbe en 1873. La limite est d'environ 250 nanomètres, ce qui est grand par rapport aux petits marcheurs, mesurant environ 5 nanomètres de long.
Comme le marcheur d'ADN est exposé à la lumière laser, la nanoparticule et le nanotube clignotent de manière aléatoire. Ces flashs sont capturés sous forme de nombreux points fluorescents dans des milliers d'images d'imagerie. Cette collection de points est ensuite utilisée pour reconstituer le mouvement précis du marcheur, qui se déplace dans un cycle en six étapes qui implique le clivage de parties du brin d'ARN et la récupération de son énergie avant de passer au brin suivant.
Les résultats ont révélé que trois étapes principales dominent ce mécanisme de marche.
"Donc, si vous pouvez contrôler ces trois étapes dans ce cycle de marche, vous pouvez vraiment étudier et mieux contrôler ces marcheurs, " dit Choi. " Vous pouvez les accélérer, vous pouvez les faire s'arrêter et se déplacer dans différentes directions."
Alors qu'auparavant, il aurait fallu 20 heures ou plus pour étudier un cycle de marche complet, la nouvelle approche accélère le processus à environ une minute.
