Les chercheurs étoffent sans cesse leur arsenal de méthodes pour décrypter l'organisation spatiale des structures biologiques. A l'aide de microscopes, ils peuvent maintenant visualiser les composants macromoléculaires individuels dans l'ADN, protéine, ou d'autres complexes. Cependant, cette résolution nécessite généralement un équipement sophistiqué appliqué à des échantillons spécialement traités, et il est difficile d'observer simultanément plusieurs types de molécules, surtout à haute densité et débit, ou interactions dynamiques.

Contourner le besoin de microscopes coûteux, certaines approches biochimiques récentes attachent des sondes d'ADN à code-barres à des cibles moléculaires, puis fusionnent celles de paires voisines, souvent par ligature d'ADN. Ces "enregistrements" d'ADN sont ensuite lus pour analyse. Parce que ces méthodes détruisent les sondes d'ADN dans le processus d'appariement, cependant, les informations acquises à partir de chaque cible moléculaire ne peuvent inclure plus d'une interaction, ni multiple à la fois ni changeant dans le temps. De telles méthodes peuvent sérieusement limiter la qualité de toute reconstruction informatique ultérieure, et rendent impossible la reconstruction de complexes individuels.

Pour surmonter ces limites, une équipe du Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering de Harvard dirigée par Peng Yin, membre du corps professoral, Doctorat., a maintenant développé une méthode basée sur la nanotechnologie de l'ADN qui permet de répéter, enregistrement non destructif d'appariements moléculaires à code-barres unique, restituant une vue détaillée de leurs composants et géométries. À l'avenir, l'approche pourrait aider les chercheurs à comprendre comment les changements dans les complexes moléculaires contrôlent les processus biologiques dans les cellules vivantes. L'étude est publiée dans Communication Nature .

"Notre méthode, que nous appelons "Auto-cycling Proximity Recording" (APR), agit essentiellement comme un enregistreur biochimique continu des structures moléculaires, " dit Yin, qui est également professeur de biologie des systèmes à la Harvard Medical School. « APR nous permet de regarder de nombreuses proximités simultanément et de manière répétée, et avec une perturbation minimale de la structure. En évaluant le complément complet de toutes ces paires dans de nombreux cycles, nous pouvons créer une vue détaillée d'une structure moléculaire et même observer différents états structurels des mêmes cibles."

Comme preuve de principe, l'équipe a conçu plusieurs sondes ADN in silico, et les a synthétisés et attachés à des cibles moléculaires contenues dans les géométries prescrites des nanostructures d'origami d'ADN. Grâce à cette nouvelle conception, Mécanisme biochimique dirigé par l'ADN, un enregistrement sous la forme d'un brin d'ADN à code-barres est synthétisé sur la structure si et seulement si deux de ces sondes d'ADN sont suffisamment proches l'une de l'autre (« enregistrement de proximité »). Les disques sont publiés au fur et à mesure qu'ils sont synthétisés, et plus tard collectés pour l'analyse des séquences.

Contrairement à d'autres méthodes biochimiques, chaque cible APR individuelle peut produire plus de 30 enregistrements ADN (« cycle automatique »), permettant une collecte de données robuste. Après avoir collecté tous les enregistrements ADN, l'équipe a compilé leurs séquences et reconstruit avec succès la géométrie des nanostructures synthétiques. Ainsi, l'approche fonctionne comme un « nanoscope d'ADN », qui utilise une biochimie de l'ADN spécialement conçue pour visualiser des paires cibles dans un objet moléculaire. En développant ces nouvelles capacités, les chercheurs de Wyss ont même pu documenter des changements dans l'état de nanostructures individuelles, soulevant la possibilité que l'approche pourrait être utilisée pour corréler les transitions structurelles dans les complexes moléculaires avec leurs fonctions biologiques.

"En utilisant des anticorps et d'autres agents largement utilisés pour diriger des sondes d'ADN vers des cibles moléculaires, nous pourrions appliquer la technologie APR pour décoder les composants et les géométries des complexes biologiques, " a déclaré Thomas Schaus, MARYLAND., Doctorat., un scientifique du Wyss Institute qui, en tant que premier auteur de l'étude, a développé l'APR avec Yin. « Le fait que les enregistrements ADN individuels contiennent des données uniques, codes-barres séquencables et que la méthode est évolutive peut nous permettre de suivre un jour, individuellement, des milliers ou des millions de macromolécules dans une voie biochimique."

« Le développement de l'APR en tant que moyen nanotechnologique pour déchiffrer les structures moléculaires sans avoir besoin de microscopes élaborés et coûteux illustre vraiment comment l'initiative de robotique moléculaire récemment lancée par le Wyss Institute peut avoir un impact sur la recherche et les développements en biologie structurelle dans de nombreux laboratoires, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., qui est également le professeur Judah Folkman de biologie vasculaire au HMS et le programme de biologie vasculaire du Boston Children's Hospital, ainsi que professeur de bio-ingénierie à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.