Lorsqu'il s'agit d'allier simplicité et potentiel créatif époustouflant, L'ADN peut détenir le prix. Construit à partir d'un alphabet de seulement quatre acides nucléiques, L'ADN fournit le plan d'étage à partir duquel toute vie terrestre est construite.

Mais la polyvalence remarquable de DNA ne s'arrête pas là. Les chercheurs ont réussi à amener des segments d'ADN à effectuer une multitude d'astuces utiles. Les séquences d'ADN peuvent former des circuits logiques pour des applications nanoélectroniques. Ils ont été utilisés pour effectuer des calculs mathématiques sophistiqués, comme trouver le chemin optimal entre plusieurs villes. Et l'ADN est la base d'une nouvelle génération de minuscules robots et nanomachines. Mesurant des milliers de fois plus petit qu'une bactérie, de tels dispositifs peuvent effectuer une multitude de tâches.

Dans de nouvelles recherches, Hao Yan de l'Arizona State University et ses collègues décrivent un marcheur d'ADN innovant, capable de traverser rapidement une piste préparée. Plutôt que de ralentir, des pas hésitants sur une surface, les acrobates de l'ADN font la roue folle, couvrant le sol 10 à 100 fois plus rapidement que les appareils précédents.

"C'est passionnant de voir que les marcheurs d'ADN peuvent augmenter leur vitesse de manière significative en optimisant la longueur et les séquences des brins d'ADN, l'effort de collaboration a vraiment rendu cela possible, " dit Yan.

Yan est le professeur distingué Milton D. Glick de chimie et de biochimie à l'ASU et directeur du Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics.

L'étude a été dirigée par Nils G. Walter, Professeur de chimie Francis S. Collins Collegiate, Biophysique et chimie biologique, directeur fondateur du Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center et co-directeur fondateur du Center for RNA Biomedicine de l'Université du Michigan, et son équipe, avec des collaborateurs du Wyss Institute, le Dana Farber Cancer Institute et le Department of Biological Chemistry de Harvard (tous à Boston, Massachusetts).

"L'astuce était de faire craquer le marcheur, qui est tellement plus rapide que le saut utilisé auparavant, comme vous le verriez dans un film d'action de kung-fu où le héros accélère en faisant la roue pour attraper le méchant, " dit Walter.

Les améliorations de vitesse et de locomotion affichées par le nouveau déambulateur devraient encourager de nouvelles innovations dans le domaine de la nanotechnologie de l'ADN.

Les conclusions du groupe apparaissent dans le numéro en ligne avancé de la revue Nature Nanotechnologie .

Construire avec l'ADN

Les nanoarchitectes construisent leurs structures d'ADN, moteurs et circuits utilisant le même principe de base que la Nature. Les quatre nucléotides, étiqueté A, T, C et G, se lient les uns aux autres selon une règle simple et prévisible :Cs s'apparie toujours avec Gs et As s'apparie toujours avec Ts. Ainsi, des longueurs variables d'ADN peuvent être programmées pour s'auto-assembler, s'emboîtant pour former une variété illimitée de nanostructures bidimensionnelles et tridimensionnelles. Avec un savant raffinement, les chercheurs ont pu équiper leurs nano-créations autrefois statiques de propriétés dynamiques.

L'une des applications les plus innovantes de la nanotechnologie de l'ADN a été la conception de dispositifs de marche robotisés composés de brins d'ADN qui se déplacent successivement par étapes sur un chemin. La méthode permettant aux segments d'ADN de traverser une zone définie est connue sous le nom de déplacement de brin.

Le processus fonctionne comme ceci :une branche du dispositif robotique est le brin d'ADN 1, qui est lié au brin complémentaire 2, par un appariement de bases normal. Le volet 1 contient un autre, séquence non appariée suspendue à son extrémité, qui est connu comme la prise de pied.

Prochain, Le brin d'ADN 3 est rencontré. Ce brin est complémentaire au brin d'ADN 1 et comprend une séquence d'orteil complémentaire au brin d'ADN 1. Une fois que l'embout du brin 3 se lie à l'embout du brin 1, il commence à déplacer séquentiellement chaque brin 2 nucléotide, un par un, jusqu'à ce que le brin 2 ait été complètement remplacé par le brin 3. Le brin 2 se dissocie alors du brin 1 et le processus peut recommencer. (Voir figure 1).

Toehold-mediated strand displacement, which forms the basis of other DNA nanodevices, allows DNA structures to move from one complementary foothold on the walking surface to the next. As each DNA strand is displaced by a new strand, the nano-creature takes a step forward.

Race walking

Successful DNA walkers of various kinds have been designed and have demonstrated the ability to ferry nano-sized cargo from place to place. Jusqu'à maintenant, cependant, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, in practice, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

In the new study, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, which improves efficiency.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.