Une gamme impressionnante de formes architecturales peut être produite à partir des blocs de construction à emboîtement populaires connus sous le nom de LEGOS. Il suffit de l'imagination d'un enfant pour construire une variété pratiquement infinie de formes complexes.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique , des chercheurs décrivent une technique d'utilisation d'éléments de type LEGO à l'échelle de quelques milliardièmes de mètre. Plus loin, ils sont capables de cajoler ces éléments de conception pour qu'ils s'auto-assemblent, avec chaque pièce LEGO identifiant son partenaire approprié et se reliant dans une séquence précise pour compléter la nanostructure souhaitée.

Alors que la technique décrite dans la nouvelle étude est simulée sur ordinateur, la stratégie est applicable aux méthodes d'auto-assemblage communes au domaine de la nanotechnologie de l'ADN. Ici, l'équivalent de chaque pièce LEGO se compose d'une nanostructure faite d'ADN, le célèbre référentiel moléculaire de notre code génétique. Les quatre nucléotides constituant l'ADN, communément étiquetés A, C, T &G— se collent les uns aux autres selon une règle fiable :les nucléotides A s'apparient toujours avec les T et les nucléotides C avec les G.

L'utilisation de propriétés d'appariement de bases permet à des chercheurs comme Petr Sulc, auteur correspondant de la nouvelle étude, concevoir des nanostructures d'ADN pouvant prendre forme dans une éprouvette, comme sur pilote automatique.

« Le nombre possible de façons de concevoir les interactions entre les blocs de construction est énorme, ce qu'on appelle une "explosion combinatoire"", explique Sulc. "Il est impossible de vérifier individuellement chaque conception de bloc de construction possible et de voir s'il peut s'auto-assembler dans la structure souhaitée. Dans notre travail, nous fournissons un nouveau cadre général qui permet de rechercher efficacement l'espace des solutions possibles et de trouver celle qui s'auto-assemble dans la forme souhaitée et évite d'autres assemblages indésirables."

Sulc est chercheur au Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics et à la School of Molecular Sciences (SMS) de l'ASU. Il est rejoint par son collègue Lukáš Kroc ainsi que par les collaborateurs internationaux Flavio Romano et John Russo d'Italie.

La nouvelle technique marque un tremplin important dans le domaine en développement rapide de la nanotechnologie de l'ADN, où des formes auto-assemblées se retrouvent dans tout, des pincettes à l'échelle nanométrique aux robots à ADN anti-cancer.

Malgré des avancées impressionnantes, les méthodes de construction reposant sur l'auto-assemblage moléculaire ont dû faire face à des liaisons involontaires de matériaux de construction. Les défis augmentent avec la complexité de la conception envisagée. Dans de nombreux cas, les chercheurs sont perplexes quant à la raison pour laquelle certaines structures s'auto-assemblent à partir d'un ensemble donné de blocs de construction élémentaires, car les fondements théoriques de ces processus sont encore mal compris.

Pour affronter le problème, Sulc et ses collègues ont inventé un système de codage couleur intelligent qui parvient à restreindre les appariements de base uniquement à ceux apparaissant dans le plan de conception de la structure finale, avec des appariements de bases alternatifs interdits.

Le processus fonctionne grâce à un algorithme d'optimisation conçu sur mesure, où le code de couleur correct pour l'auto-assemblage de la forme prévue produit la structure cible à un minimum d'énergie, tout en excluant les structures concurrentes.

Prochain, ils mettent le système au travail, en utilisant des ordinateurs pour concevoir deux formes cristallines d'une grande importance pour le domaine de la photonique :le pyrochlore et le diamant cubique. Les auteurs notent que cette méthode innovante est applicable à toute structure cristalline.

Pour appliquer leur cadre théorique, Sulc a entamé une nouvelle collaboration avec les professeurs Hao Yan et Nick Stephanopoulos, ses collègues de Biodesign et SMS. Ensemble, ils visent à réaliser expérimentalement certaines des structures qu'ils ont pu concevoir dans des simulations.

« Alors que l'application évidente de notre cadre se situe dans la nanotechnologie de l'ADN, notre approche est générale, et peut également être utilisé par exemple pour concevoir des structures auto-assemblées à partir de protéines, " dit Sulc.