ADN, présent dans presque toutes les cellules, est de plus en plus utilisé comme matériau de construction pour construire de minuscules, mais des structures sophistiquées telles que des « marcheurs d'ADN » autonomes qui peuvent se déplacer le long d'une surface de microparticules, étiquettes fluorescentes pour applications diagnostiques, des « boîtes à ADN » qui servent de véhicules intelligents de distribution de médicaments programmés pour s'ouvrir sur les sites de la maladie pour libérer leur contenu thérapeutique, ou des usines programmables de nanoparticules de tailles et de formes définies pour de nouvelles applications optiques et électroniques.

Pour accueillir ces fonctions, des chercheurs du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard et du monde entier ont développé des moyens qui permettent aux brins d'ADN de s'auto-assembler en structures 3-D de plus en plus complexes telles que des origamis d'ADN échafaudés. ADN origamis, cependant, sont limités dans leurs tailles car ils reposent sur la disponibilité de brins d'échafaudage qui peuvent être difficiles à fabriquer et à manipuler. En 2012, Peng Yin et son équipe du Wyss Institute ont présenté une méthode alternative en La nature (2-D) et Science (3-D) qui est basé sur des « briques » d'ADN, qui n'utilisent pas d'échafaudage mais sont plutôt capables de se connecter comme des briques Lego imbriquées et ainsi de s'auto-assembler en structures de la taille d'un origami avec des formes prescrites.

Comme indiqué dans La nature , l'équipe a dépassé sa technologie de deux ordres de grandeur, permettant aux briques d'ADN de nouvelle génération de s'auto-assembler en nanostructures tridimensionnelles 100 fois plus complexes que celles créées avec les méthodes existantes. L'origami d'ADN et les briques d'ADN de première génération s'auto-assemblent à partir de centaines de composants uniques pour produire des nanostructures à l'échelle MegaDalton, alors que la nouvelle approche des briques d'ADN permet 10, 000 composants à auto-assembler dans des structures de la taille d'un GigaDalton (1 GigaDalton équivaut à 1000 MegaDaltons ou 1 milliard de Daltons). L'étude fournit des outils informatiques conviviaux pour concevoir des nanostructures d'ADN avec des cavités complexes (et éventuellement des surfaces) qui ont le potentiel de servir de composants de construction dans de nombreuses applications nanotechnologiques en médecine et en ingénierie.

« Le principe et les capacités prometteuses de nos briques d'ADN de première génération nous ont amenés à nous demander si nous pouvions améliorer le système pour atteindre des nanostructures beaucoup plus complexes avec des rendements beaucoup plus élevés dans les réactions d'assemblage en un seul pot. Ici, nous avons réussi à faire tout cela. Nous avons travaillé. une plate-forme pratique facilement accessible qui permet aux chercheurs ayant des intérêts et des applications très différents en tête de créer un canevas moléculaire avec 10, 000 briques et l'utiliser pour construire des nanostructures d'une complexité et d'un potentiel sans précédent, " a déclaré l'auteur correspondant Yin, Doctorat., qui est membre du corps professoral du Wyss Institute, co-responsable de l'Initiative de robotique moléculaire de l'Institut, et professeur de biologie des systèmes à la Harvard Medical School.

La technologie des briques d'ADN est basée sur la nature stable et hautement programmable de l'ADN. Une seule brique d'ADN est un court brin d'ADN synthétique composé d'une séquence prédéfinie des quatre bases nucléotidiques universelles :adénine (A), cytosine (C), guanine (G), et la thymine (T). Les chercheurs du Wyss Institute créent de grandes nanostructures 3D en mélangeant différentes briques, chacun portant sa propre séquence unique de nucléotides conçue pour s'adapter et se lier à un domaine complémentaire de bases nucléotidiques dans une autre brique afin qu'elles puissent s'auto-assembler. Dans la nouvelle version de la technologie, en faisant varier la longueur des domaines de liaison individuels dans les briques, l'équipe s'est retrouvée avec une diversité considérablement accrue parmi les briques possibles qui, en outre, lier beaucoup plus fort les uns aux autres. L'étude a également développé un logiciel convivial permettant aux concepteurs de saisir simplement la forme 3D requise et de recevoir automatiquement une liste de séquences de briques d'ADN pouvant être synthétisées et utilisées pour former la structure souhaitée.

"Nous avons démontré les capacités de notre technologie en construisant des cubes massifs contenant jusqu'à 30, 000 briques et a montré quelques formes exemplaires qui peuvent être construites à partir de sous-ensembles de ces briques. Il est remarquable que les briques aient pu distinguer des dizaines de milliers de partenaires potentiels pour trouver leurs bons voisins, et c'était passionnant de voir que la technique des briques d'ADN pouvait être utilisée pour former des cavités assez complexes comme un ours en peluche, le mot 'LOVE' ou une bande de Möbius, parmi tant d'autres, " a déclaré la première auteure Luvena Ong, Doctorat., un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Yin et maintenant chercheur à Bristol-Myers Squibb.

L'équipe de Yin a collaboré avec des chercheurs du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et de l'Institut national de la santé et de la recherche médicale (INSERM) à Montpellier, France et l'Institut Max Planck de Biochimie de Munich, L'Allemagne déploiera une collection de méthodes de microscopie de pointe pour visualiser les cavités conçues dans des cuboïdes 3D. "Les structures de cavité composées de briques d'ADN sont très intéressantes car elles offrent la possibilité de concevoir des nano-conteneurs dans lesquels des biomolécules comme des protéines peuvent être placées dans des arrangements très définis pour étudier leurs interactions et tirer parti de leurs activités, " a déclaré l'auteur co-correspondant Yonggang Ke, Doctorat., qui a développé la première plate-forme de briques d'ADN avec Yin en tant que boursier postdoctoral au Wyss Institute, et est maintenant professeur adjoint au Georgia Institute of Technology et à l'Université Emory. Ke, en collaboration avec son étudiant diplômé Pengfei Wang, a joué un rôle déterminant dans l'avancement de la technologie vers sa nouvelle version. "En ajoutant des fragments fonctionnels à des briques d'ADN qui peuvent effectuer des processus d'assemblage et enzymatiques, ils peuvent être convertis en outils puissants pour les processus de nanofabrication commerciaux et biomédicaux à une nouvelle échelle, " a déclaré Ke. Les chercheurs pensent que, à l'avenir, la méthode pourrait également être utilisée pour générer de grandes nanostructures avec des surfaces extérieures sculptées et spécifiques à l'application.

"The way the multifaceted DNA bricks technology is evolving shows how the Wyss Institute's Molecular Robotics Initiative can reach deep into the field of DNA nanotechnology to enable new approaches that could solve many real world problems, " a déclaré le directeur fondateur du Wyss Institute, Donald Ingber, MARYLAND., Doctorat., who is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as Professor of Bioengineering at SEAS.