Les nanoscientifiques et chimistes de renommée mondiale Chad Mirkin, le directeur de l'Institut international de nanotechnologie (IIN) de la Northwestern University, et Teri Odom, le directeur associé de l'IIN, s'asseoir pour discuter de l'âge d'or de la miniaturisation et comment la « science des petites choses » favorise des avancées majeures.

L'IIN, fondée en 2000, fait de grands progrès dans le domaine de la nanotechnologie et prospère à grande échelle. Les nanosciences et la technologie - un domaine axé sur l'étude et la manipulation de molécules et de matériaux dont les dimensions se situent entre 1 et 100 nanomètres (1 nm =un milliardième de mètre) - ont été anticipées en 1959 par le physicien Richard Feynman et rendues possibles avec l'avènement de les microscopes électroniques et à effet tunnel dans les années 1980. Il engage des scientifiques du monde entier dans de nombreuses disciplines. Ils utilisent de tels outils pour explorer, et finalement résoudre, certains des problèmes les plus urgents au monde en médecine, ingénierie, énergie, et la défense.

Nous assistons à une conversation entre Mirkin et Odom pour voir où se dirige ce domaine passionnant.

Q :Votre équipe a découvert la technologie des acides nucléiques sphériques (SNA), où de minuscules particules peuvent être décorées avec de courts extraits d'ADN ou d'ARN. Avec la création des SNA, vous avez essentiellement pris des molécules connues, les a réorganisés à l'échelle nanométrique sous forme de boules, et ont changé leurs propriétés. Quel est le potentiel d'une telle découverte, et quelles percées passionnantes se profilent à l'horizon ?

Mirkin :Deux domaines vraiment prometteurs dans lesquels nous appliquons la technologie SNA sont la biomédecine et la régulation des gènes - l'idée que l'on peut créer des moyens d'utiliser les SNA basés sur l'ADN et l'ARN comme de nouveaux médicaments puissants. Par exemple, nous pouvons mettre des SNA dans des crèmes disponibles dans le commerce, comme Aquaphor, et les appliquer localement pour traiter les maladies de la peau. Il existe plus de 200 maladies de la peau avec une base génétique connue, faire des SNA basés sur l'ADN et l'ARN une stratégie générale pour le traitement des maladies de la peau. Les constructions conventionnelles d'ADN et d'ARN basées sur des acides nucléiques linéaires ne peuvent pas être délivrées de cette manière - elles ne pénètrent pas dans la peau. Mais, Les SNA peuvent en raison de leur architecture unique qui modifie la façon dont ils interagissent avec les structures biologiques et en particulier, récepteurs sur les cellules de la peau qui les reconnaissent, mais pas d'ADN ou d'ARN linéaire. Les SNA peuvent également être utilisés pour traiter les maladies de la vessie, côlon, poumon, et les yeux—organes et tissus qui sont également difficiles à traiter avec des moyens traditionnels.

Q :La nanotechnologie est un domaine multidisciplinaire où la chimie, la médecine et l'ingénierie se croisent pour créer des solutions innovantes à toute une série de problèmes. Un domaine est la photonique, où les progrès à l'échelle nanométrique changent notre façon de communiquer. Comment?

Odom :On essaie de réduire la taille des lasers, qui sont typiquement des dispositifs macroscopiques, jusqu'à l'échelle nanométrique. La capacité de concevoir des nanomatériaux capables de contrôler la production et le guidage de la lumière, qui est composée de particules individuelles appelées photons, peut transformer toute une gamme de technologies différentes. Par exemple, la communication basée sur les photons (comme dans les fibres optiques) par rapport aux électrons (comme dans les fils de cuivre) est plus rapide et beaucoup plus efficace. Les applications qui exploitent la lumière peuvent facilement être transformées par la nanotechnologie.

Q :La nanotechnologie a révolutionné les sciences fondamentales, accélérer leur impact traductionnel. Par exemple, votre collègue Samuel Stupp, directeur du Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology à Northwestern, est sur le point de mener des essais cliniques sur la régénération vertébrale grâce à des percées nanotechnologiques « douces ». La nanotechnologie a-t-elle aussi révolutionné la méthode scientifique traditionnelle, trop?

Mirkin :Le désir de trouver une solution à un problème donné conduit souvent les scientifiques à développer de nouvelles capacités. C'est ce qui est passionnant dans la science en général, mais sur les nanotechnologies en particulier :on a souvent des objectifs, qui sont motivés par des besoins d'ingénierie, mais en cours de route, nous découvrons des principes fondamentalement intéressants que nous n'avions pas anticipés et qui éclairent notre vision du monde qui nous entoure. Ces découvertes nous emmènent sur de nouvelles voies, celles qui pourraient être encore plus intéressantes que les premières sur lesquelles nous étions. C'est la nature et l'importance de la recherche scientifique fondamentale.

Odom :Nano fournit les fondamentaux. Mais alors, nous nous adaptons, sur la base de ces propriétés inattendues, tout en gardant à l'esprit nos objectifs à long terme. C'est plutôt chouette. Vous pouvez vous adapter de manière à garder la découverte et la créativité au premier plan. Sans ça, nous nous ennuierions tous.

Q :Sir Fraser Stoddart, lauréat du prix Nobel, John Rogers, Guillaume Dichtel, Milan Mrksich et Stupp ne sont que quelques-uns des nombreux grands noms de la communauté nanotechnologique du Nord-Ouest. Qu'est-ce que Northwestern fait correctement et quel est l'impact mondial ?

Mirkin :Ce sont des gros frappeurs, des gens qui peuvent aller n'importe où dans le monde, mais ils ont choisi de venir à Northwestern parce qu'ils ont reconnu qu'il s'agissait d'une période très spéciale de notre histoire. Nous sommes sur une trajectoire incroyable ici, et ils veulent en faire partie.

Odom :Nous avons une manière holistique de former les nouveaux professeurs et étudiants diplômés parce que nous voulons qu'ils aient une image complète de tout ce qui se passe ici. C'est ainsi que nous faisons la science à Northwestern, et nous l'appliquons vraiment à la nanotechnologie. Une partie de notre succès en tant que département de chimie est venue de notre capacité à faire des choses, pour les mesurer, et de les modéliser - j'aime penser à cette intégration comme au principe des « 3M ». Nos réalisations en nanotechnologie reposent sur ces trois domaines d'expertise synergiques.

Mirkin : Cela commence vraiment par des talents de classe mondiale, puis la collaboration. Vous pouvez collaborer tout ce que vous voulez, mais si vous n'avez pas de talent de classe mondiale, ce n'est pas grave. Puisque nous allons à fond sur le côté médical, en 15 ans, je suis passé de zéro collaboration avec la faculté de médecine, à maintenant 17. Il y a ici une interaction naturelle entre les cliniciens, scientifiques, et des ingénieurs qui rendent le travail de chacun tellement plus fort. Au cours des cinq prochaines années, Je prévois qu'il y aura des traitements contre le cancer basés sur la nanotechnologie qui améliorent considérablement les résultats et, dans certains sous-ensembles de maladies, conduit réellement à des guérisons.