Vue d'artiste d'un jeu de morpion joué avec des tuiles d'ADN Crédit :Caltech
Déplacez-vous sur Mona Lisa, voici le tic-tac-toe.
Il y a à peine un an, les scientifiques de Caltech dans le laboratoire de Lulu Qian, professeur assistant de bio-ingénierie, ont annoncé avoir utilisé une technique connue sous le nom d'origami d'ADN pour créer des tuiles qui pourraient être conçues pour s'auto-assembler en nanostructures plus grandes qui portent des motifs prédéfinis. Ils ont choisi de créer la plus petite version au monde de l'emblématique Mona Lisa.
L'exploit était impressionnant, mais la technique avait une limitation similaire à celle des peintures à l'huile de Léonard de Vinci :une fois l'image créée, il ne pouvait pas être facilement changé.
Maintenant, l'équipe Caltech a fait un autre bond en avant avec la technologie. Ils ont créé de nouvelles tuiles plus dynamiques, permettant aux chercheurs de remodeler des structures d'ADN déjà construites. Lorsque Paul Rothemund (BS '94) de Caltech a été le pionnier de l'origami ADN il y a plus d'une décennie, il a utilisé la technique pour construire un visage souriant. L'équipe de Qian peut maintenant transformer ce sourire en un froncement de sourcils, puis, si ils veulent, Cesse de froncer les sourcils. Et ils sont allés encore plus loin, façonner un jeu microscopique de tic-tac-toe dans lequel les joueurs placent leurs X et O en ajoutant des tuiles d'ADN spéciales au plateau.
"Nous avons développé un mécanisme pour programmer les interactions dynamiques entre des nanostructures d'ADN complexes, " dit Qian. " En utilisant ce mécanisme, nous avons créé le plus petit plateau de jeu au monde pour jouer au morpion, où chaque mouvement implique une auto-reconfiguration moléculaire pour échanger des centaines de brins d'ADN à la fois."
Assembler les morceaux
Ce mécanisme d'échange combine deux nanotechnologies de l'ADN développées précédemment. Il reprend les briques de l'un et le concept général de l'autre :tuiles auto-assemblantes, qui ont été utilisés pour créer la minuscule Mona Lisa; et le déplacement des brins, qui a été utilisé par l'équipe de Qian pour construire des robots à ADN.
Les deux technologies utilisent la capacité de l'ADN à être programmé par l'agencement de ses molécules. Chaque brin d'ADN se compose d'un squelette et de quatre types de molécules appelées bases. Ces bases-adénine, guanine, cytosine, et thymine, abrégé en A, T, C, et G—peuvent être disposés dans n'importe quel ordre, avec l'ordre représentant des informations utilisables par les cellules, ou dans ce cas par des nanomachines conçues.
La deuxième propriété de l'ADN qui le rend utile pour la construction de nanostructures est que le A, T, C, et les bases G ont une tendance naturelle à s'apparier avec leurs homologues. La base A s'apparie avec T, et C s'apparie avec G. Par extension, toute séquence de bases voudra s'apparier avec une séquence complémentaire. Par exemple, ATTAGCA voudra s'associer avec TAATCGT.
Une paire de séquences d'ADN complémentaires liées ensemble. Crédit : Institut de technologie de Californie
Cependant, une séquence peut également s'apparier avec une séquence partiellement correspondante. Si ATTAGCA et TAATACC étaient réunis, leurs portions ATTA et TAAT s'apparieraient, et les parties non correspondantes pendent des extrémités. Les deux brins les plus proches se complètent, plus ils sont attirés l'un par l'autre, et plus ils se lient fortement.
Les brins d'ADN partiellement appariés laissent des séquences non appariés pendantes aux extrémités. Crédit : Institut de technologie de Californie
Pour imaginer ce qui se passe dans le déplacement de brin, imaginez deux personnes qui sortent ensemble et qui ont plusieurs choses en commun. Amy aime les chiens, randonnée, films, et aller à la plage. Adam aime les chiens, randonnée, et dégustation de vins. Ils se lient autour de leur intérêt commun pour les chiens et la randonnée. Puis une autre personne entre en scène. Eddie aime les chiens, randonnée, films, et le bowling. Amy se rend compte qu'elle a trois choses en commun avec Eddie, et seulement deux en commun avec Adam. Amy et Eddie se retrouvent fortement attirés l'un par l'autre, et Adam est largué, comme un brin d'ADN déplacé.
Amy et Adam se sont associés comme des brins d'ADN complémentaires. Crédit : Institut de technologie de Californie
Eddie et Amy ont plus en commun et leur lien est plus fort. Comme dans le déplacement de brin d'ADN, Amy part avec Eddie. Crédit : Institut de technologie de Californie
Adam est maintenant seul, un peu comme un brin d'ADN déplacé. Crédit : Institut de technologie de Californie
L'autre technologie, tuiles auto-assemblantes, est plus simple à expliquer. Essentiellement, les tuiles, bien que de forme carrée, sont conçus pour se comporter comme les pièces d'un puzzle. Chaque tuile a sa propre place dans l'image assemblée, et il ne tient qu'à cet endroit.
En créant leur nouvelle technologie, L'équipe de Qian a doté les carreaux auto-assemblés de capacités de déplacement. Le résultat est des tuiles qui peuvent trouver leur place désignée dans une structure, puis expulser la tuile qui occupe déjà cette position. Alors qu'Eddie s'est simplement lié à une personne, provoquant le coup de pied d'un autre sur le trottoir, les tuiles ressemblent davantage à un enfant adopté qui se connecte si fortement avec une nouvelle famille qu'ils enlèvent le titre de "favori" à leur progéniture biologique.
"Dans ce travail, nous avons inventé le mécanisme de déplacement des tuiles, qui suit le principe abstrait du déplacement de brin mais se produit à une plus grande échelle entre les structures d'origami d'ADN, " dit l'ancien étudiant diplômé de Qian Philip Petersen (Ph.D. '18), auteur principal de l'étude. "C'est le premier mécanisme qui peut être utilisé pour programmer des comportements dynamiques dans des systèmes de multiples structures d'origami d'ADN en interaction."
Jouons
Pour lancer le jeu de morpion, L'équipe de Qian a mélangé une solution de tuiles vierges dans un tube à essai. Une fois le plateau assemblé, les joueurs ont ajouté à tour de rôle X tuiles ou O tuiles à la solution. En raison de la nature programmable de l'ADN dont ils sont faits, les tuiles ont été conçues pour glisser dans des endroits spécifiques du plateau, remplacer les tuiles vierges qui s'y trouvaient. Une tuile X pourrait être conçue pour ne glisser que dans le coin inférieur gauche du plateau, par exemple. Les joueurs pouvaient mettre un X ou et un O dans n'importe quel endroit vide en utilisant des tuiles conçues pour aller où ils voulaient. Après six jours de gameplay captivant, le joueur X est sorti vainqueur.
Évidemment, aucun parent ne se précipitera pour acheter à ses enfants un jeu de morpion qui prend presque une semaine à jouer, mais le tic-tac-toe n'est pas vraiment le but, dit Grigori Tikhomirov, chercheur postdoctoral senior et co-premier auteur de l'étude. L'objectif est d'utiliser la technologie pour développer des nanomachines qui peuvent être modifiées ou réparées une fois qu'elles ont déjà été construites.
"Quand tu as une crevaison, vous allez probablement le remplacer au lieu d'acheter une nouvelle voiture. Une telle réparation manuelle n'est pas possible pour les machines nanométriques, " dit-il. " Mais avec ce processus de déplacement de tuiles, nous avons découvert, il devient possible de remplacer et de mettre à niveau plusieurs pièces de machines nanométriques conçues pour les rendre plus efficaces et sophistiquées."
Leur papier, intitulé "Reconfiguration autonome basée sur l'information dans les systèmes de nanostructures d'ADN en interaction, " apparaît dans le numéro du 18 décembre de Communication Nature .
