Imaginez un robot qui pourrait vous aider à ranger votre maison :en vadrouille, trier les chaussettes perdues dans le linge et la vaisselle sale dans le lave-vaisselle. Bien qu'une telle aide pratique puisse encore relever de la science-fiction, Les scientifiques de Caltech ont développé une machine moléculaire autonome qui peut effectuer des tâches similaires, à l'échelle nanométrique. Ce "robot, " constitué d'un seul brin d'ADN, peut « marcher » de manière autonome autour d'une surface, ramasser certaines molécules et les déposer dans des endroits désignés.

Le travail a été effectué dans le laboratoire de Lulu Qian, professeur assistant de bio-ingénierie. Il apparaît dans un article du numéro du 15 septembre de Science .

Pourquoi des nanobots ?

« Tout comme les robots électromécaniques sont envoyés dans des contrées lointaines, comme Mars, nous aimerions envoyer des robots moléculaires dans des endroits minuscules où les humains ne peuvent pas aller, comme la circulation sanguine, ", explique Qian. "Notre objectif était de concevoir et de construire un robot moléculaire capable d'effectuer une tâche nanomécanique sophistiquée :le tri des cargaisons."

Comment construire un robot moléculaire

Dirigé par l'ancien étudiant diplômé Anupama Thubagere (PhD '17), les chercheurs ont construit trois blocs de construction de base qui pourraient être utilisés pour assembler un robot à ADN :une « jambe » avec deux « pieds » pour marcher, un « bras » et une « main » pour ramasser la cargaison, et un segment qui peut reconnaître un point de débarquement spécifique et signaler à la main de libérer sa cargaison. Chacun de ces composants est constitué de quelques nucléotides dans un seul brin d'ADN.

En principe, ces blocs de construction modulaires pourraient être assemblés de différentes manières pour accomplir différentes tâches - un robot à ADN avec plusieurs mains et bras, par exemple, pourrait être utilisé pour transporter plusieurs molécules simultanément.

Dans les travaux décrits dans l'article de Science, le groupe Qian a construit un robot capable d'explorer une surface moléculaire, ramasser deux molécules différentes, un colorant jaune fluorescent et un colorant rose fluorescent, puis les répartir dans deux régions distinctes de la surface. L'utilisation de molécules fluorescentes a permis aux chercheurs de voir si les molécules se sont retrouvées à leur emplacement prévu. Le robot a réussi à trier six molécules dispersées, trois roses et trois jaunes, à leur place correcte en 24 heures. L'ajout de robots supplémentaires à la surface a réduit le temps nécessaire pour terminer la tâche.

"Bien que nous ayons fait la démonstration d'un robot pour cette tâche spécifique, la même conception de système peut être généralisée pour fonctionner avec des dizaines de types de cargaisons à n'importe quel emplacement initial arbitraire sur la surface, " dit Thubagere. " On pourrait aussi avoir plusieurs robots effectuant diverses tâches de tri en parallèle. "

Concevoir par l'ADN

La clé de la conception des machines à ADN réside dans le fait que l'ADN possède des propriétés chimiques et physiques uniques, connues et programmables. Un seul brin d'ADN est composé de quatre molécules différentes appelées nucléotides - en abrégé A, G, C, et T—et disposés en une chaîne appelée séquence. Ces nucléotides se lient par paires spécifiques :A avec T, et G avec C. Lorsqu'un seul brin rencontre un brin complémentaire dit inverse, par exemple, CGATT et AATCG—les deux brins s'emboîtent dans la forme classique à double hélice.

Un seul brin contenant les bons nucléotides peut forcer deux brins partiellement zippés à se décompresser. La rapidité avec laquelle chaque événement de compression et de décompression se produit et la quantité d'énergie qu'il consomme peut être estimée pour une séquence d'ADN donnée, permettant aux chercheurs de contrôler la vitesse à laquelle le robot se déplace et la quantité d'énergie qu'il utilise pour effectuer une tâche. En outre, la longueur d'un seul brin ou de deux brins zippés peut être calculée. Ainsi, la jambe et le pied d'un robot ADN peuvent être conçus pour une taille de pas souhaitée - dans ce cas, 6 nanomètres, ce qui représente environ un cent millionième de la taille d'un pas humain.

En utilisant ces principes chimiques et physiques, les chercheurs peuvent concevoir non seulement des robots mais aussi des « terrains de jeux, " comme les panneaux perforés moléculaires, pour les tester. Dans les travaux en cours, le robot ADN se déplace sur un panneau perforé de 58 nanomètres sur 58 nanomètres sur lequel les chevilles sont constituées de brins simples d'ADN complémentaires à la jambe et au pied du robot. Le robot se lie à une cheville avec sa jambe et l'un de ses pieds, l'autre pied flotte librement. Lorsque des fluctuations moléculaires aléatoires amènent ce pied libre à rencontrer une cheville à proximité, il tire le robot vers le nouveau piquet et son autre pied est libéré. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

It may take a day for a robot to explore the entire board. Le long du chemin, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. The process is slow, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

Futuristic Applications

"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."