Seize brins d'ADN, empilé quatre par quatre, forment le châssis en forme de poutre du moteur DNA (en gris). Des morceaux d'ADN (en vert) dépassent du châssis comme de petits pieds. Le moteur est alimenté par de l'ARN posé sur une piste. L'ARN se lie aux pieds d'ADN sur la face inférieure du châssis. Une enzyme ciblant l'ARN lié détruit ensuite ces molécules d'ARN (gris et rouge). Le processus se répète, comme plus d'ARN tire les pieds d'ADN, basculer le châssis vers l'avant, le faisant rouler. Crédit :Stéphanie Jones, bio-illustrations.com
Grâce à une technique connue sous le nom d'origami ADN, les scientifiques ont créé le plus rapide, nano-moteur à ADN le plus persistant à ce jour. Angewandte Chemie publié les conclusions, qui fournissent un modèle pour optimiser la conception de moteurs à l'échelle nanométrique, des centaines de fois plus petits que la cellule humaine typique.
« Les moteurs à l'échelle nanométrique ont un potentiel énorme pour des applications en biodétection, dans la construction de cellules synthétiques mais aussi pour la robotique moléculaire, " dit Khalid Salaita, auteur principal de l'article et professeur de chimie à l'Université Emory. "L'origami ADN nous a permis de bricoler la structure du moteur et de déterminer les paramètres de conception qui contrôlent ses propriétés."
Le nouveau moteur à ADN est en forme de tige et utilise du carburant ARN pour rouler de manière persistante en ligne droite, sans intervention humaine, à des vitesses allant jusqu'à 100 nanomètres par minute. C'est jusqu'à 10 fois plus rapide que les moteurs DNA précédents.
Salaita est également membre du corps professoral du département de génie biomédical Wallace H. Coulter, un programme conjoint de Georgia Institute of Technology et Emory. Le papier est une collaboration entre le laboratoire Salaita et Yonggang Ke, professeur adjoint à l'école de médecine Emory et au département de génie biomédical Wallace H. Coulter.
"Notre moteur DNA conçu est rapide, " Ke dit, "mais nous avons encore un long chemin à parcourir pour atteindre la polyvalence et l'efficacité des moteurs biologiques de la nature. En fin de compte, l'objectif est de fabriquer des moteurs artificiels qui correspondent à la sophistication et à la fonctionnalité des protéines qui déplacent la cargaison dans les cellules et leur permettent de remplir diverses fonctions. »
Faire des choses avec de l'ADN, surnommé l'origami ADN d'après l'artisanat traditionnel japonais de pliage de papier, profite de l'affinité naturelle pour les bases A de l'ADN, G, C et T pour s'apparier. 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 de l'origami 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.
Puissance de calcul croissante, et l'utilisation de l'auto-assemblage d'ADN pour l'industrie de la génomique, ont considérablement fait progresser le domaine de l'origami ADN au cours des dernières décennies. Les utilisations potentielles des moteurs à ADN comprennent des dispositifs d'administration de médicaments sous la forme de nanocapsules qui s'ouvrent lorsqu'elles atteignent un site cible, nano-ordinateurs et nanorobots travaillant sur des chaînes d'assemblage à l'échelle nanométrique.
« Ces applications peuvent maintenant ressembler à de la science-fiction, mais notre travail contribue à les rapprocher de la réalité, " dit Alisina Bazrafchan, un doctorat Emory. candidat et premier auteur du nouvel article.
L'un des plus grands défis des moteurs à ADN est le fait que les règles régissant le mouvement à l'échelle nanométrique sont différentes de celles des objets que les humains peuvent voir. Les appareils à l'échelle moléculaire doivent se frayer un chemin à travers un barrage constant de molécules. Ces forces peuvent faire dériver de tels petits appareils au hasard comme des grains de pollen flottant à la surface d'une rivière, un phénomène connu sous le nom de mouvement brownien.
La viscosité des liquides a également un impact beaucoup plus important sur quelque chose d'aussi petit qu'une molécule, donc l'eau devient plus comme de la mélasse.
De nombreux moteurs ADN antérieurs « marche » avec un mouvement mécanique de jambe sur jambe. Le problème est que les versions à deux pattes ont tendance à être intrinsèquement instables. Les moteurs de marche avec plus de deux jambes gagnent en stabilité mais les jambes supplémentaires les ralentissent.
Les chercheurs d'Emory ont résolu ces problèmes en concevant un moteur à ADN en forme de tige qui roule. La tige, ou "châssis" du moteur se compose de 16 brins d'ADN liés ensemble dans un empilement de quatre par quatre pour former un faisceau avec quatre côtés plats. Trente-six morceaux d'ADN dépassent de chaque face de la tige, comme des petits pieds.
"L'origami à ADN nous a permis de bricoler la structure du moteur et de déterminer les paramètres de conception qui contrôlent ses propriétés, ", dit Salaita. Les chercheurs ont fourni un modèle que d'autres peuvent suivre pour concevoir des moteurs à ADN avec une gamme de propriétés et de fonctions. Crédit:Emory University
Pour alimenter son mouvement, le moteur est placé sur une piste d'ARN, un acide nucléique avec des paires de bases complémentaires des paires de bases d'ADN. L'ARN tire sur les pieds d'ADN sur une face du moteur et les lie à la piste. Une enzyme qui cible uniquement l'ARN lié à l'ADN détruit ensuite rapidement l'ARN lié. Cela fait rouler le moteur, alors que les pieds d'ADN sur la face suivante du moteur sont tirés vers l'avant par leur attraction pour l'ARN.
Le moteur à ADN roulant trace un chemin persistant, donc il continue à se déplacer en ligne droite, par opposition au mouvement plus aléatoire des moteurs à ADN de marche. Le mouvement de roulement ajoute également à la vitesse du nouveau moteur ADN :il peut parcourir la longueur d'une cellule souche humaine en deux ou trois heures. Les moteurs DNA précédents auraient besoin d'environ une journée pour couvrir la même distance, et la plupart manquent de persévérance pour aller aussi loin.
L'un des plus grands défis était de mesurer la vitesse du moteur à l'échelle nanométrique. Ce problème a été résolu en ajoutant des étiquettes fluorescentes à chaque extrémité du moteur à ADN et en optimisant les conditions d'imagerie sur un microscope à fluorescence.
Par essais et erreurs, les chercheurs ont déterminé qu'une forme de tige rigide était optimale pour se déplacer en ligne droite et que 36 pieds sur chaque face du moteur offraient une densité optimale pour la vitesse.
"Nous avons fourni une plate-forme accordable pour les moteurs d'origami à ADN que d'autres chercheurs peuvent utiliser pour concevoir, tester et optimiser les moteurs pour faire avancer le domaine, " dit Bazrafshan. " Notre système vous permet de tester les effets de toutes sortes de variables, tels que la forme et la rigidité du châssis et le nombre et la densité des pieds pour affiner votre conception."
Par exemple, quelles variables donneraient naissance à un moteur ADN qui tourne en rond ? Ou un moteur qui tourne pour contourner les barrières ? Ou celui qui se tourne en réponse à une cible particulière ?
"Nous espérons que d'autres chercheurs proposeront d'autres conceptions créatives basées sur ces résultats, " dit Bazrafchan.
