Les chercheurs ont mis au point un système de contrôle magnétique pour faire bouger de minuscules robots basés sur l'ADN à la demande et beaucoup plus rapidement qu'il n'a été possible récemment.

Dans la revue Communication Nature , Carlos Castro et Ratnasingham Sooryakumar et leurs collègues de l'Ohio State University rapportent que le système de contrôle a réduit le temps de réponse des composants prototypes de nano-robots de plusieurs minutes à moins d'une seconde.

Non seulement la découverte représente une amélioration significative de la vitesse, ce travail et une autre étude récente annoncent le premier direct, contrôle en temps réel des machines moléculaires basées sur l'ADN.

La découverte pourrait un jour permettre aux nano-robots de fabriquer des objets, tels que des dispositifs d'administration de médicaments, aussi rapidement et de manière aussi fiable que leurs homologues de taille normale. Précédemment, les chercheurs ne pouvaient déplacer l'ADN qu'indirectement, en induisant des réactions chimiques pour l'amener à se déplacer de certaines manières, ou introduire des molécules qui reconfigurent l'ADN en se liant avec lui. Ces processus prennent du temps.

"Imaginez dire à un robot dans une usine de faire quelque chose et devoir attendre cinq minutes pour qu'il exécute une seule étape d'une tâche. C'était le cas avec les méthodes précédentes pour contrôler les nano-machines à ADN, " dit Castro, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial.

"Les méthodes de manipulation en temps réel comme notre approche magnétique permettent aux scientifiques d'interagir avec des nano-dispositifs d'ADN, et à leur tour interagir avec des molécules et des systèmes moléculaires qui pourraient être couplés à ces nano-dispositifs en temps réel avec un retour visuel direct. »

Dans des travaux antérieurs, L'équipe de Castro a utilisé une technique appelée ADN origami pour plier des brins individuels d'ADN pour former des outils microscopiques simples comme des rotors et des charnières. Ils ont même construit un « cheval de Troie » à partir d'ADN pour administrer des médicaments aux cellules cancéreuses.

Pour cette nouvelle étude, les chercheurs se sont joints à Ratnasingham Sooryakumar, professeur de physique. Auparavant, il avait développé des "pinces" magnétiques microscopiques pour déplacer des cellules biologiques dans des applications biomédicales telles que la thérapie génique. Les pincettes étaient en fait constituées de groupes de particules magnétiques qui se déplaçaient de manière synchronisée pour pousser les cellules là où les gens voulaient qu'elles aillent.

Ces particules magnétiques, tandis qu'invisible à l'œil nu, étaient encore plusieurs fois plus gros qu'une des nano-machines de Castro, expliqua Sooryakumar.

"Nous avions découvert un moyen d'exploiter la puissance des forces magnétiques pour sonder le monde microscopique, un monde caché d'une complexité étonnante, " dit-il. " Mais nous voulions passer du micro-monde au nano-monde. Cela a conduit à la collaboration avec le Dr Castro. Les défis étaient de réduire de mille fois la fonctionnalité de nos particules, couplez-les à des emplacements précis sur les pièces mobiles des machines et incorporez des molécules fluorescentes en tant que balises pour surveiller les machines lorsqu'elles se déplacent."

Pour cette étude, l'équipe a construit des tiges, rotors et charnières utilisant l'origami d'ADN. Ensuite, ils ont utilisé des leviers d'ADN rigides pour connecter les composants nanoscopiques à des billes miniatures en polystyrène imprégné de matériau magnétique. En ajustant un champ magnétique, ils ont découvert qu'ils pouvaient commander aux particules de faire pivoter les composants d'avant en arrière ou de les faire pivoter. Les composants ont exécuté les mouvements demandés en moins d'une seconde.

Par exemple, le nano-rotor était capable de tourner à 360 degrés en environ une seconde avec un mouvement contrôlé en continu entraîné par un champ magnétique rotatif. La nano-charnière a pu être fermée ou ouverte en 0,4 seconde, ou tenu à un angle spécifique avec une précision de 8 degrés.

Ces mouvements auraient pu prendre plusieurs minutes s'ils étaient exécutés avec des méthodes traditionnelles, dit Castro. Il envisage que des nano-matériaux complexes ou des complexes biomoléculaires pourraient un jour être fabriqués dans des nano-usines à base d'ADN qui détectent et réagissent à leur environnement local.

L'étude a été longue à venir :les chercheurs ont décidé de fusionner la plate-forme magnétique de Sooryakumar avec les appareils à ADN de Castro il y a des années. "Il a fallu beaucoup de travail acharné de plusieurs étudiants pour réaliser cette idée, et nous sommes ravis de continuer à bâtir sur cela. Cette étude démontre une avancée passionnante qui n'a été possible qu'avec cette collaboration interdisciplinaire", a déclaré Castro.