Tout comme la machine à vapeur a ouvert la voie à la révolution industrielle, et les micro-transistors ont déclenché l'ère numérique, Les dispositifs nanométriques fabriqués à partir d'ADN ouvrent une nouvelle ère dans la recherche biomédicale et la science des matériaux.

Le journal Science décrit les utilisations émergentes des dispositifs mécaniques à ADN dans un article "Perspective" de Khalid Salaita, professeur de chimie à l'Université Emory, et Aaron Blanchard, un étudiant diplômé du département de génie biomédical Wallace H. Coulter, un programme conjoint de Georgia Institute of Technology et Emory.

L'article annonce un nouveau domaine, que Blanchard a surnommé « la mécanotechnologie de l'ADN, " pour concevoir des machines à ADN qui génèrent, transmettre et détecter des forces mécaniques à l'échelle nanométrique.

"Pendant longtemps, " Salaita dit, « les scientifiques ont été doués pour fabriquer des micro-appareils, des centaines de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Il a été plus difficile de fabriquer des nano-dispositifs fonctionnels, des milliers de fois plus petit que ça. Mais l'utilisation de l'ADN en tant que composants permet de construire des nano-dispositifs extrêmement élaborés, car les composants de l'ADN s'auto-assemblent. »

ADN, ou acide désoxyribonucléique, stocke et transmet l'information génétique sous la forme d'un code composé de quatre bases chimiques :l'adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et thymine (T). Les bases d'ADN ont une affinité naturelle pour s'apparier - A avec T et C avec G. Des brins synthétiques d'ADN peuvent être combinés avec des brins d'ADN naturels provenant de bactériophages. En se déplaçant autour de la séquence de lettres sur les brins, les chercheurs peuvent faire en sorte que les brins d'ADN se lient de manière à créer différentes formes. La rigidité des brins d'ADN peut également être facilement ajustée, ils restent donc droits comme un morceau de spaghetti sec ou se plient et s'enroulent comme des spaghettis bouillis.

L'idée d'utiliser l'ADN comme matériau de construction remonte aux années 1980, lorsque le biochimiste Nadrian Seeman a été le pionnier de la nanotechnologie de l'ADN. Ce domaine utilise des brins d'ADN pour fabriquer des dispositifs fonctionnels à l'échelle nanométrique. La capacité de rendre ces derniers précis, les structures tridimensionnelles ont commencé comme une nouveauté, surnommé l'origami ADN, résultant en des objets tels qu'une carte microscopique du monde et, plus récemment, le plus petit jeu de morpion, joué sur un plateau ADN.

Les travaux sur les objets de nouveauté continuent de fournir de nouvelles informations sur les propriétés mécaniques de l'ADN. Ces connaissances conduisent à la capacité de fabriquer des machines à ADN qui génèrent, transmettre et détecter les forces mécaniques.

"Si vous mettez ensemble ces trois composants principaux des dispositifs mécaniques, vous commencez à avoir des marteaux, des rouages ​​et des roues et vous pouvez commencer à construire des nano-machines, " dit Salaita. " La mécanotechnologie de l'ADN élargit les possibilités de recherche impliquant la biomédecine et la science des matériaux. C'est comme découvrir un nouveau continent et ouvrir de nouveaux territoires à explorer."

Les utilisations potentielles de ces dispositifs incluent les dispositifs d'administration de médicaments sous la forme de nano capsules qui s'ouvrent lorsqu'elles atteignent un site cible, des nano-ordinateurs et des nano-robots travaillant sur des chaînes de montage à l'échelle nanométrique.

L'utilisation de l'auto-assemblage d'ADN par l'industrie de la génomique, pour la recherche biomédicale et le diagnostic, propulse davantage la mécanotechnologie de l'ADN, rendant la synthèse d'ADN peu coûteuse et facilement disponible. « Potentiellement, n'importe qui peut imaginer une conception de nano-machine et en faire une réalité, " dit Salaita.

Il donne l'exemple de la création d'une paire de nano-ciseaux. "Vous savez qu'il faut deux tiges rigides et qu'elles doivent être reliées par un mécanisme à pivot, " dit-il. " En bricolant avec un logiciel open source, vous pouvez créer ce design, puis aller sur un ordinateur et passer une commande pour synthétiser votre design sur mesure. Vous recevrez votre commande dans un tube. Vous mettez simplement le contenu du tube dans une solution, laissez votre appareil s'auto-assembler, puis utilisez un microscope pour voir si cela fonctionne comme vous le pensiez."

Le laboratoire de Salaita est l'un des quelque 100 laboratoires dans le monde à travailler à la pointe de la mécanotechnologie de l'ADN. Lui et Blanchard ont développé le moteur à base d'ADN synthétique le plus puissant au monde, qui a été récemment rapporté dans Nano Letters.

Un objectif clé de la recherche de Salaita est de cartographier et de mesurer comment les cellules poussent et tirent pour en savoir plus sur les forces mécaniques impliquées dans le système immunitaire humain.

Salaita a développé les premiers dynamomètres à ADN pour les cellules, fournissant la première vue détaillée des forces mécaniques qu'une molécule applique à une autre molécule sur toute la surface d'une cellule vivante. La cartographie de ces forces peut aider à diagnostiquer et à traiter les maladies liées à la mécanique cellulaire. Cellules cancéreuses, par exemple, se déplacer différemment des cellules normales, et il n'est pas clair si cette différence est une cause ou un effet de la maladie.

En 2016, Salaita a utilisé ces dynamomètres ADN pour fournir la première preuve directe des forces mécaniques des cellules T, les gardes de sécurité du système immunitaire. Son laboratoire a montré comment les cellules T utilisent une sorte de "poignée de main" mécanique ou de traction subite pour tester si une cellule qu'elles rencontrent est une amie ou une ennemie. Ces remorqueurs mécaniques sont au cœur de la décision d'une cellule T de déclencher ou non une réponse immunitaire.

"Votre sang contient des millions de différents types de cellules T, et chaque cellule T évolue pour détecter un certain agent pathogène ou agent étranger, ", explique Salaita. "Les cellules T échantillonnent constamment des cellules dans tout votre corps à l'aide de ces remorqueurs mécaniques. Ils se lient et tirent sur les protéines à la surface d'une cellule et, si le lien est fort, c'est un signal que la cellule T a trouvé un agent étranger."

Le laboratoire de Salaita s'est appuyé sur cette découverte dans un article récemment publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) . Les travaux menés par l'étudiant diplômé en chimie d'Emory, Rong Ma, ont affiné la sensibilité des dynamomètres ADN. Non seulement peuvent-ils détecter ces remorqueurs mécaniques à une force si faible qu'elle représente près d'un milliardième du poids d'un trombone, ils peuvent également capturer des preuves de remorqueurs aussi brèves qu'un clin d'œil.

La recherche offre un regard sans précédent sur les forces mécaniques impliquées dans le système immunitaire. "Nous avons montré que, en plus d'être évolué pour détecter certains agents étrangers, Les cellules T appliqueront également de très brefs remorqueurs mécaniques à des agents étrangers qui correspondent presque, ", dit Salaita. "La fréquence et la durée du remorqueur dépendent de la proximité de l'agent étranger avec le récepteur des cellules T."

Le résultat fournit un outil pour prédire la force d'une réponse immunitaire d'une cellule T. « Nous espérons que cet outil pourra éventuellement être utilisé pour affiner les immunothérapies pour les patients atteints de cancer, ", dit Salaita. "Cela pourrait potentiellement aider à concevoir des cellules T pour s'attaquer à des cellules cancéreuses particulières."