Une collection de 120 images 3D de liaisons Bennett. Les images ont été créées en utilisant la tomographie électronique à particules individuelles (IPET), une technique développée au Berkeley Lab. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Durant la dernière décennie, les chercheurs ont travaillé pour créer des matériaux et des dispositifs à l'échelle nanométrique en utilisant l'ADN comme matériaux de construction grâce à un processus appelé « ADN origami ».
Un seul long brin "d'échafaudage" d'ADN peut être plié en des formes spécifiques par des centaines de brins plus courts, par exemple. L'ordre des bases dans chaque brin court agit comme un plan qui dicte l'ADN final de l'échafaudage, Forme 3D.
Les scientifiques espèrent utiliser cette méthode pour développer des dispositifs moléculaires qui fonctionnent comme des machines à l'échelle nanométrique ou des dispositifs d'administration de médicaments, marqueurs pour l'imagerie médicale ou la recherche biologique, et composants pour appareils électroniques.
Longs échafaudages d'ADN - composés de plus de 10, 000 unités structurelles de l'ADN appelées "nucléotides" - sont restées difficiles à fabriquer et à manipuler, qui a jusqu'à présent limité la taille des structures en origami. Il s'est également avéré difficile d'étudier la structure 3-D de ces nanoparticules dans leur état naturel, état souple.
Maintenant, pour la première fois, une équipe de chercheurs du Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) et de l'Ohio State University ont généré des images 3D à partir de 129 molécules individuelles de particules d'origami d'ADN flexibles. Leurs travaux fournissent la première vérification expérimentale du modèle théorique de l'origami ADN.
Les méthodes utilisées ici pourraient facilement être appliquées à d'autres types de structures d'origami d'ADN fabriquées, et aider à éclairer la conception et l'optimisation des futures structures. Leurs travaux ont été récemment publiés dans Communication Nature .
Un schéma d'une liaison Bennett et une simulation de modèle montrant la liaison Bennett faite d'ADN. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
L'équipe de recherche s'est concentrée sur les structures d'ADN modélisées d'après un mécanisme de base appelé « liaison de Bennett, " qui est une structure 3-D composée d'une chaîne de quatre tiges reliées par des charnières. Cela crée une forme quadrilatérale asymétrique dans laquelle les charnières ne sont pas parallèles ou alignées. En utilisant des liaisons Bennett comme blocs de construction, il est possible de créer des extensibles, structures utiles, comme des supports pour tentes qui peuvent être montés rapidement.
Les structures d'origami d'ADN sont très difficiles à étudier car elles sont très flexibles et délicates, et chaque molécule a une forme 3-D unique. Cette variabilité rend les méthodes d'imagerie conventionnelles, comme la cryo-microscopie électronique à particule unique (cryo-EM), moins adapté. La cryo-EM implique une "moyenne" informatique étendue de milliers à des centaines de milliers de molécules similaires. Par conséquent, les informations sur les parties flexibles des structures d'origami d'ADN peuvent être facilement moyennées, donnant une image incomplète de la structure.
Les chercheurs se sont appuyés sur une technique développée à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche pour la science à l'échelle nanométrique, imager les molécules individuelles qui composent ces structures. La méthode, appelée tomographie électronique à particules individuelles (IPET), prend des photos d'une molécule cible sous plusieurs angles de vue, puis combine ces images pour créer un 3-D, rendu de la molécule entière, similaire à la façon dont fonctionne une tomodensitométrie (TDM) médicale.
Les chercheurs ont capturé 129 images 3D, avec une résolution de 6 à 14 nanomètres, qui leur a permis de tirer des informations sur la dynamique et la flexibilité des structures d'origami d'ADN.
"Les reconstructions ont confirmé que les liaisons Bennett ont un degré élevé de diversité structurelle, " dit Gang "Gary" Ren, membre du personnel scientifique de l'installation d'imagerie de la fonderie moléculaire et co-responsable de l'étude.
Une analyse géométrique de ces reconstructions montre que les conformations des mécanismes de liaison de Bennett sont en bon accord avec les modèles théoriques. Lorsque les liaisons sont proches de leur état « ouvert », la "charnière" est presque entièrement déployée. Lorsque les structures sont plus proches de leur conformation "fermée", les structures prennent différentes formes et sont extrêmement flexibles et déformées.
« Sur la base de ces résultats et des visualisations du modèle des liens de Bennett, nous pouvons proposer une nouvelle stratégie pour améliorer notre contrôle des liaisons de Bennett dans les grands échafaudages d'ADN, " a déclaré Ren. " L'approche comprend la refonte des séquences d'ADN près des articulations pour raidir la structure et l'empêcher de se déformer près de cette articulation. "
