Depuis quelques décennies, les scientifiques ont été inspirés par le plan de la vie, ADN, comme la forme des choses à venir pour la nanotechnologie.

Ce domaine en plein essor s'appelle l'origami ADN. Le scientifique a emprunté son surnom aux artistes du papier qui évoquent des oiseaux, des fleurs et des avions en pliant avec imagination une seule feuille de papier.

De la même manière, Les scientifiques de l'origami ADN imaginent une variété de formes - à une échelle mille fois plus petite qu'un cheveu humain - qui, espèrent-ils, révolutionneront un jour l'informatique, électronique et médecine.

Maintenant, une équipe de scientifiques de l'État de l'Arizona et de Harvard a inventé une nouvelle avancée majeure dans la nanotechnologie de l'ADN. Surnommé "origami simple brin, " leur nouvelle stratégie utilise un long, brin d'ADN fin ressemblant à des nouilles, ou son cousin chimique l'ARN, qui peut s'auto-plier ——sans même un seul nœud—dans le plus grand, structures les plus complexes à ce jour.

Et, les brins formant ces structures peuvent être fabriqués à l'intérieur de cellules vivantes ou à l'aide d'enzymes dans un tube à essai, permettant aux scientifiques le potentiel de plug-and-play avec de nouvelles conceptions et fonctions pour la nanomédecine——comme minuscule, des nanobots jouant au docteur et délivrant des médicaments à l'intérieur des cellules sur le site de la blessure.

"Je pense que c'est une percée passionnante, et une grande opportunité pour la biologie synthétique aussi, " dit Hao Yan, un co-inventeur de la technologie, directeur du Centre de conception moléculaire et de biomimétique de l'ASU Biodesign Institute, et le professeur Milton Glick à l'École des sciences moléculaires.

"Nous sommes toujours inspirés par les conceptions de la nature pour fabriquer des molécules porteuses d'informations qui peuvent se replier automatiquement dans les formes nanométriques que nous voulons créer, "

Comme preuve de concept, ils ont repoussé les limites pour faire des smileys de type Emoji, cœurs, formes triangulaires - 18 formes au total - qui élargissent considérablement l'espace du studio de design et l'évolutivité des matériaux pour ce qu'on appelle, nanotechnologie « de bas en haut ».

Questions de taille

À ce jour, Les scientifiques en nanotechnologie de l'ADN ont dû s'appuyer sur deux méthodes principales pour créer des structures spatialement adressables avec des dimensions finies.

Le premier était les briques moléculaires, petit, de courts morceaux d'ADN qui peuvent se replier pour former une seule structure. La deuxième méthode était l'ADN échafaudé, où un seul brin est façonné en une structure en utilisant des brins auxiliaires d'ADN, qui agrafent la structure en place.

"Ces deux méthodes sont peu évolutives en terme de synthèse, " dit Fei Zhang, un co-auteur principal sur le papier. "Quand vous avez tant de petits morceaux d'ADN, vous ne pouvez pas le reproduire en utilisant des systèmes biologiques. Une façon de contourner cela est de concevoir un long fil qui pourrait se replier dans n'importe quel design ou architecture. »

Par ailleurs, chaque méthode a été limitée car à mesure que la taille de la structure augmente, la capacité de se plier correctement devient plus difficile.

Maintenant, il y a une nouvelle troisième voie.

Pour que Yan et son équipe fassent leur percée, ils ont dû retourner à la planche à dessin, ce qui signifiait regarder à nouveau la nature pour s'en inspirer. Ils ont trouvé ce qu'ils cherchaient avec un cousin chimique de l'ADN, sous forme de complexe, Structures d'ARN.

Les structures d'ARN complexes découvertes à ce jour contiennent des molécules d'ARN simple brin qui se replient automatiquement en structures sans aucun nœud topologique. Cette astuce pourrait-elle fonctionner à nouveau pour l'origami d'ADN ou d'ARN simple brin ?

Ils ont réussi à déchiffrer le code de la façon dont l'ARN crée des structures pour développer une architecture d'origami monocaténaire entièrement programmable.

"L'innovation clé de notre étude est d'utiliser l'ADN et l'ARN pour construire une structure structurellement complexe mais sans nœud qui peut être pliée en douceur à partir d'un seul brin, " Yan a déclaré. "Cela nous a donné une stratégie de conception pour nous permettre de plier un long brin dans une architecture complexe."

"Avec l'aide d'un informaticien de l'équipe, nous pourrions également codifier le processus de conception comme un algorithme formel mathématiquement rigoureux et automatiser la conception en développant un outil logiciel convivial, " dit Yan.

L'algorithme et le logiciel ont été validés par la conception automatisée et la construction expérimentale de six structures d'ADN ssOrigami distinctes (quatre losanges et deux formes de cœur).

Forme et fonction

C'est une chose de créer des motifs astucieux et des smileys avec de l'ADN, mais les critiques de l'origami ADN se sont demandé quand les applications pratiques verraient le jour.

Maintenant, ceux-ci sont possibles. "Je pense que nous sommes beaucoup plus proches des applications pratiques réelles de la technologie, " a déclaré Yan. " Nous étudions activement les premières applications en nanomédecine avec notre technologie ssOrigami. "

Ils ont également pu démontrer qu'une structure ssOrigami pliée peut être fondue et utilisée comme matrice pour l'amplification par des enzymes de copie d'ADN dans un tube à essai et que le brin ssOrigami peut être répliqué et amplifié via la production clonale dans des cellules vivantes.

"Les nanostructures d'ADN simple brin formées par auto-pliage offrent un plus grand potentiel d'amplification, reproductible, et clonable, et donc l'opportunité d'un bon rapport coût-efficacité, production à grande échelle par réplication enzymatique et biologique, ainsi que la possibilité d'utiliser l'évolution in vitro pour produire des phénotypes et des fonctionnalités sophistiqués, " dit Yan.

Ces mêmes règles de conception pourraient être utilisées pour le cousin chimique de l'ADN, ARN.

Une caractéristique clé de la conception de l'origami simple brin (ssOrigami) est que le brin peut être fabriqué et copié en laboratoire et dans des cellules vivantes, puis plié dans des structures de conception en chauffant et en refroidissant l'ADN.

Pour le faire à l'intérieur du laboratoire, ils ont utilisé la photocopieuse de séquences de clonage, appelé PCR, pour se répliquer et produire de l'ADNsb.

A l'intérieur des cellules vivantes, ils l'ont d'abord placé à l'intérieur d'une mule de clonage moléculaire, appelé plasmide, après avoir été placé dans une bactérie de laboratoire courante appelée cellules E. coli. Lorsqu'ils ont traité les bactéries avec des enzymes pour libérer l'ADNsb, ils pourraient l'isoler, puis pliez-le dans sa structure cible.

"Parce que l'ADN plasmidique peut être facilement répliqué dans E. coli, la production peut être augmentée en cultivant un grand volume de cellules E. coli à faible coût, " a déclaré Yan. Cela contourne la contrainte d'avoir à synthétiser tout l'ADN du laboratoire à partir de zéro, ce qui est bien plus cher.

Cela les déplace également dans une direction maintenant, où ils peuvent potentiellement créer les structures à l'intérieur des cellules.

"Ici, nous montrons des bactéries pour faire le brin, mais encore besoin de faire un recuit thermique en dehors des bactéries pour former la structure, " a déclaré Yan. " La situation idéale serait de concevoir une séquence d'ARN qui peut être transcrite à l'intérieur de la bactérie, et se replier à l'intérieur des bactéries afin que nous puissions utiliser des bactéries comme nano-usine pour produire le matériau. »

Ici, ils ont démontré un cadre pour concevoir et synthétiser un seul brin d'ADN ou d'ARN pour se replier efficacement en une structure ssOrigami compacte non nouée qui se rapproche de toute forme cible arbitraire prescrite par l'utilisateur.

« Son caractère simple brin a permis la démonstration d'une réplication facile du brin in vitro et dans des cellules vivantes, et sa programmabilité nous a permis de codifier le processus de conception et de développer un outil de conception automatisé simple basé sur le Web."

Une nouvelle école de design

Dans le logiciel (voir http://dna.kwonan.com/), réalisé grâce à une collaboration avec BioNano Research Group, Recherche Autodesk, premier, l'utilisateur sélectionne une forme cible, qui est converti en représentation pixelisée. L'utilisateur peut télécharger une image 2D ou dessiner une forme à l'aide d'un éditeur de conception de pixels 2D.

L'utilisateur peut éventuellement ajouter des épingles à cheveux ou des boucles ADN, qui peuvent servir de marqueurs de surface ou de poignées pour attacher des entités externes. Les pixels sont convertis en domaines hélicoïdaux d'ADN et en domaines de verrouillage pour effectuer le repliement. Le logiciel va alors générer des structures et séquences ssOrigami, et l'utilisateur peut visualiser la structure moléculaire via un visualiseur moléculaire intégré. Finalement, la séquence d'ADN est attribuée au brin de cycle, et la structure pliée attendue fabriquée en laboratoire et confirmée visuellement en la visualisant sous un microscope puissant qui sont les yeux de la nanotechnologie, microscopie à force atomique, ou AFM.

« Nous avons vraiment augmenté la complexité tout en réduisant les coûts, " a déclaré Yan. " Cette étude élargit considérablement l'espace de conception et l'évolutivité de la nanotechnologie ascendante, et ouvre la porte aux applications en santé."