Cette protéine-ADN 'Lego' a été co-assemblée avec une structure d'ADN triangulaire portant trois bras complémentaires aux poignées, résultant en des cages tétraédriques composées de six côtés d'ADN coiffés par le trimère protéique. Crédit :Nicholas Stephanopoulos
L'objectif central de la nanotechnologie est la manipulation de matériaux à l'échelle atomique ou moléculaire, notamment pour construire des dispositifs ou des structures microscopiques. Les cages tridimensionnelles sont l'une des cibles les plus importantes, à la fois pour leur simplicité et leur application en tant que supports de médicaments pour la médecine. La nanotechnologie de l'ADN utilise des molécules d'ADN comme des "Legos" programmables pour assembler des structures avec un contrôle impossible avec d'autres molécules.
Cependant, la structure de l'ADN est très simple et manque de la diversité des protéines qui composent la plupart des cages naturelles, comme les virus. Malheureusement, il est très difficile de contrôler l'assemblage des protéines avec la précision de l'ADN. C'est-à-dire, jusque récemment. Nicholas Stephanopoulos, professeur adjoint au Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics de l'Arizona State University, et l'École des sciences moléculaires - et son équipe a construit une cage construite à partir de blocs de construction de protéines et d'ADN grâce à l'utilisation de conjugués covalents protéine-ADN.
Dans un article publié en ACS Nano , Stephanopoulos a modifié une protéine homotrimérique (une enzyme naturelle appelée KDPG aldolase) avec trois poignées d'ADN simple brin identiques en fonctionnalisant un résidu cystéine réactif qu'ils ont introduit à la surface de la protéine. Cette protéine-ADN "Lego" a été co-assemblée avec une structure d'ADN triangulaire portant trois bras complémentaires aux poignées, résultant en des cages tétraédriques composées de six côtés d'ADN coiffés par le trimère protéique. Les dimensions de la cage ont pu être ajustées par le nombre de tours par bras d'ADN et les structures hybrides ont été purifiées et caractérisées pour confirmer la structure tridimensionnelle.
Les cages ont également été modifiées avec de l'ADN en utilisant la chimie du clic, qui est un type personnalisé de chimie, créer des éléments rapidement avec une grande fiabilité en assemblant des unités microscopiques démontrant la généralité de la méthode.
Professeur adjoint Nicholas Stephanopoulos. Crédit :Nicholas Stephanopoulos
"L'approche de mon laboratoire permettra la construction de nanomatériaux qui possèdent les avantages de la nanotechnologie des protéines et de l'ADN, et trouver des applications dans des domaines tels que la livraison ciblée, biologie structurale, biomédecine, et matériaux catalytiques, ", a déclaré Stéphanopoulos.
Stephanopoulos et son équipe voient une opportunité avec les cages hybrides – fusionnant des blocs de construction de protéines auto-assemblés avec un échafaudage d'ADN synthétique – qui pourraient combiner la bioactivité et la diversité chimique des premières avec la programmabilité des secondes. Et c'est ce qu'ils ont entrepris de créer :une structure hybride construite par conjugaison chimique d'oligonucléotides (un brin d'ADN synthétique) gère un bloc de construction protéique. La base triangulaire portant trois poignées d'ADN simple brin complémentaires est auto-assemblée et purifiée séparément en la chauffant pour modifier ses propriétés.
« Nous avons pensé qu'en concevant ces deux blocs de construction purifiés, ils s'emboîteraient spontanément de manière programmable, en utilisant les propriétés de reconnaissance des poignées d'ADN, " a déclaré Stephanopoulos. " Il était particulièrement essentiel d'utiliser une protéine hautement stable thermiquement comme cette aldolase, car cet auto-assemblage ne fonctionne qu'à 55 degrés Celsius, et de nombreuses protéines se désagrègent à ces températures."
Un autre avantage de l'ADN, ce qui n'est pas possible avec les protéines, règle la taille de la cage sans avoir à reconcevoir tous les composants. Stéphanopoulos continua, « La taille de cet assemblage pourrait alors être ajustée de manière rationnelle en modifiant la longueur de chaque bord d'ADN, alors que la protéine fournirait un échafaudage pour la fixation de petites molécules, ciblant des peptides ou même des protéines de fusion."
Bien que d'autres exemples de structures hybrides existent, cette cage particulière est la première construite par conjugaison chimique de poignées oligonucléotidiques sur un bloc de construction protéique. Cette stratégie peut en principe être étendue à un large éventail de protéines (certaines ayant des capacités de ciblage du cancer, par exemple). Ainsi, Le travail de Stephanopoulos a le potentiel de permettre un tout nouveau domaine hybride de nanotechnologie protéine-ADN avec des applications impossibles avec les protéines ou l'ADN seul.
