Les nœuds sont des outils indispensables pour des activités humaines telles que la voile, pêche et escalade, (sans parler de, attacher des chaussures). Mais en faisant un nœud dans un brin d'ADN en forme de dentelle, mesurant seulement des milliardièmes de mètre de longueur, exige de la patience et une expertise hautement spécialisée.

Hao Yan, chercheur à l'ASU, est une main expérimentée dans ce domaine délicat et exotique, opérant au carrefour de la nanotechnologie et des beaux-arts.

Dans une nouvelle recherche publiée dans la revue Communication Nature , Yan et ses collègues Fei Zhang, Xiaodong Qi et d'autres décrivent une méthode pour amener des segments d'ADN simple brin dans des structures nouées complexes en 2 et 3D.

Les résultats représentent une avancée importante dans le domaine en évolution rapide de la nanotechnologie de l'ADN, dans lequel la molécule de vie est utilisée comme matériau de construction structurel pour une vaste gamme de configurations minuscules. Parmi ceux-ci se trouvent de minuscules dispositifs robotiques, applications photoniques, systèmes d'administration de médicaments, des portes logiques, ainsi que des applications diagnostiques et thérapeutiques.

"Les structures d'ADN nouées démontrées dans ce travail présentent une complexité topologique sans précédent, bien au-delà de ce qui a été réalisé avant d'utiliser le pliage simple brin, " dit Yan. " En effet, il est non seulement étonnant mais aussi surprenant que l'ADN et l'ARN simple brin puissent se faufiler à travers ses propres chaînes et trouver un moyen de former des structures aussi fortement nouées, étant donné que le seul brin doit se tisser à travers tant d'enchevêtrements."

Yan dirige le Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics et est le professeur distingué Martin D. Glick à l'École des sciences moléculaires de l'ASU.

Faire entrer l'ADN dans le giron

La nouvelle étude implique des innovations dans le domaine de l'origami ADN, lequel, comme le nom l'indique, utilise des acides nucléiques comme l'ADN et l'ARN pour se replier et s'auto-assembler sous des formes complexes. Cela se produit lorsque des bases nucléotidiques complémentaires de l'alphabet de 4 lettres de l'ADN entrent en contact et se lient, selon un régime strict :les bases C s'apparient toujours avec G et les bases A s'apparient toujours avec T.

Dans la nature, des chaînes d'acides nucléiques fournissent le code nécessaire à la fabrication de protéines complexes. Cette biologie fondamentale fournit le fondement de toute vie terrestre. Profitant des propriétés d'appariement de bases simples de l'ADN, il est possible de concevoir des structures qui s'auto-assembleront en laboratoire. La méthode a été appliquée à la fois aux formes d'ADN simple brin et double brin, résultant en des nanostructures de complexité et de sophistication croissantes.

Alors que l'origami ADN a fait des progrès surprenants depuis sa création, une innovation technique a été extrêmement difficile à réaliser. Jusqu'à maintenant, la création de structures nouées complexes dans l'ADN d'une manière prévisible et programmable a échappé aux chercheurs.

La nouvelle œuvre surmonte cet obstacle, établir des règles de conception précises qui permettent aux segments monocaténaires d'ADN (ou d'ARN) allant de 1800 à 7500 nucléotides de former des nanostructures en forme de nœuds avec des nombres de croisement (où le brin d'ADN entre et sort de sa propre longueur) allant de 9 à 57 .

Le groupe a en outre démontré que ces nanostructures d'acides nucléiques peuvent être répliquées et amplifiées, à la fois dans des conditions de laboratoire et dans des systèmes vivants.

Les nœuds de la nature

Structures nouées, comme ceux que Yan a fabriqués, (mais beaucoup plus simple que les synthétiques), ont des corrélats dans le monde naturel. Ils ont été observés dans l'ADN et les protéines et se forment généralement lors de la réplication et de la transcription, (quand une séquence d'ADN est copiée dans l'ARN messager). Ils peuvent également se produire dans les génomes des phages, des virus qui infectent les cellules bactériennes.

Néanmoins, la construction de nœuds moléculaires à l'échelle nanométrique, afficher des géométries bien définies et cohérentes nécessite un contrôle et une précision énormes. Comme ça arrive, les acides nucléiques comme l'ADN sont idéaux pour la conception et la synthèse de tels nœuds moléculaires.

Précédemment, des longueurs d'ADN double brin ont été utilisées pour des constructions à l'échelle nanométrique, avec l'ajout de pièces courtes ou de « brins d'agrafes » pour attacher les structures résultantes ensemble. La nouvelle étude utilise à la place une seule longueur d'ADN conçue pour s'enrouler autour d'elle-même de manière précise, séquence d'étapes préprogrammée.

Une fois que les nanostructures d'ADN nouées s'assemblent avec succès, ils sont imagés par microscopie à force atomique. Un calcul minutieux permet aux chercheurs d'optimiser les voies de repliement pour produire le rendement le plus élevé pour chaque structure synthétique. L'utilisation d'ADN simple plutôt que double brin permet de produire des structures en abondance à un coût bien moindre.

Une approche simple brin ouvre la porte à la conception de nanoarchitectures avec des des fonctions bien définies, qui peut être produit par des cycles successifs d'évolution in vitro, où les attributs souhaités sont sélectionnés dans un processus répétitif de raffinement. Plus loin, l'approche décrite dans la nouvelle étude fournit une plate-forme générale pour la conception de structures moléculaires de taille accrue et de complexité sans précédent, ouvrant la voie aux avancées de la nanophotonique, l'administration de médicaments, analyse cryo-EM et stockage de mémoire basé sur l'ADN.

Concepteur ADN (et ARN)

Pour l'une des conceptions initiales du nœud, la stratégie développée par Yan et ses collègues consistait à enfiler un seul brin d'ADN ou d'ARN à travers lui-même 9 fois selon une séquence préprogrammée, démontrant que la nouvelle méthode est capable de produire des formes géométriques complexes qui sont programmables, reproductible et évolutif.

La stratégie de conception a ensuite été étendue pour inclure des structures d'ARN simple brin et des nœuds d'ADN 3-D, dont les formes ont été reconstituées grâce à une technique dite de microscopie électronique à transmission cryogénique, confirmant leur bon pliage dans les formes souhaitées.

"L'un des défis de ce travail est de savoir comment augmenter le rendement d'assemblage de structures fortement nouées." Dit Fei. Contrairement aux nanostructures d'ADN classiques, les nœuds simple brin sont moins indulgents en termes d'ordre de pliage précis en raison de la complexité topologique. Si un seul croisement est mal plié pendant le processus, l'erreur sera difficilement auto-corrigée et la plupart des erreurs de pliage resteront dans la structure terminée. "Nous avons développé une stratégie de pliage hiérarchique pour guider la formation correcte de nœuds. Nous avons comparé l'efficacité de pliage d'un nœud avec 23 croisements en utilisant différentes voies de pliage. Les images AFM ont montré une augmentation spectaculaire du rendement de pliage des structures bien formées à partir de 0,9 % à 57,9 % en appliquant une voie de repliement hiérarchique optimisée." ajouta Fei.

Les règles de conception utilisées pour optimiser les chemins de pliage sont basées sur le nombre de points de passage, la longueur de l'ADN et le nombre de paires de bases dans la structure conçue. Trois règles principales ont été établies. D'abord, les chemins de pliage linéaires se sont avérés préférables aux chemins ramifiés. Seconde, la section dépliée d'un brin d'ADN ne doit pas s'enfiler dans les premiers stades lorsque le brin est encore long. Finalement, les bords de la forme désirée qui ont trois croisements doivent se plier avant ceux qui ont deux croisements.

Suite à la stratégie de conception, l'équipe a pu créer des nœuds d'ADN plus complexes avec un nombre croissant de croisements.

Des chaînes plus longues d'ADN simple brin posent des défis uniques pour la conception de nanostructures programmées en raison de la probabilité accrue d'auto-complémentarité involontaire des bases constituant la chaîne. Une structure de nœuds d'ADN comportant 57 nœuds croisés assemblés avec succès, mais avec un rendement inférieur et moins de précision. Lorsque le nombre de passages à niveau a été porté à 67, le rendement a considérablement baissé et les structures résultantes, imagé par l'AFM, a montré plus d'erreurs d'assemblage.

L'étude rapporte les plus gros nœuds d'ADN encore assemblés, formé de jusqu'à 7,5k bases, présentant les topologies les plus compliquées, avec jusqu'à 57 régions de croisement. Les séquences d'ADN simple brin peuvent être produites en masse dans des cellules vivantes pour une plus grande efficacité à moindre coût. Finalement, Des nanostructures d'ADN de fonctions diverses peuvent être formées à l'intérieur des cellules, innovations à poursuivre dans les travaux futurs.