La plus petite plomberie du monde pourrait un jour acheminer des médicaments vers des cellules humaines individuelles

Les tubes, visibles en vert clair, mesurent environ sept nanomètres de diamètre – environ deux millions de fois plus petits qu'une fourmi – et plusieurs microns de long, soit environ la longueur d'une particule de poussière. Crédit :Université Johns Hopkins

Travaillant sur des tuyaux microscopiques seulement un millionième de la largeur d'un seul cheveu humain, les chercheurs de l'Université Johns Hopkins ont mis au point un moyen de s'assurer que ces plus petits tuyaux sont à l'abri des fuites les plus infimes.

La tuyauterie sans fuite, fabriquée avec des nanotubes qui s'auto-assemblent, s'auto-réparent et peuvent se connecter à différentes biostructures, est une étape importante vers la création d'un réseau de nanotubes qui pourrait un jour fournir des médicaments, des protéines et des molécules spécialisés aux cellules ciblées dans le corps humain. Les mesures très précises sont décrites aujourd'hui dans Science Advances .

"Cette étude suggère très fortement qu'il est possible de construire des nanotubes qui ne fuient pas en utilisant ces techniques simples d'auto-assemblage, où nous mélangeons des molécules dans une solution et les laissons simplement former la structure que nous voulons", a déclaré Rebecca Schulman, une associée. professeur de génie chimique et biomoléculaire qui a co-dirigé la recherche. "Dans notre cas, nous pouvons également attacher ces tubes à différents points d'extrémité pour former quelque chose comme de la plomberie."

L'équipe a travaillé avec des tubes d'environ sept nanomètres de diamètre - environ deux millions de fois plus petits qu'une fourmi - et de plusieurs microns de long, soit environ la longueur d'une particule de poussière.

Tuyauterie sans fuite, fabriquée avec des nanotubes qui s'auto-assemblent, s'auto-réparent et peuvent se connecter à différentes biostructures. Crédit :Université Johns Hopkins

La méthode s'appuie sur une technique établie qui réutilise des morceaux d'ADN comme blocs de construction pour développer et réparer les tubes tout en leur permettant de rechercher et de se connecter à des structures spécifiques.

Des études antérieures ont conçu des structures similaires pour créer des structures plus courtes appelées nanopores. Ces conceptions se concentrent sur la capacité des nanopores d'ADN à contrôler le transport de molécules à travers des membranes lipidiques cultivées en laboratoire qui imitent la membrane d'une cellule.

Mais si les nanotubes sont comme des tuyaux, les nanopores sont comme des raccords de tuyaux courts qui, à eux seuls, ne peuvent pas atteindre d'autres tubes, réservoirs ou équipements. L'équipe de Schulman est spécialisée dans les nanotechnologies bio-inspirées pour résoudre ce type de problèmes.

"La construction d'un long tube à partir d'un pore pourrait permettre aux molécules non seulement de traverser le pore d'une membrane qui contenait les molécules à l'intérieur d'une chambre ou d'une cellule, mais aussi de diriger où ces molécules vont après avoir quitté la cellule", a déclaré Schulman. "Nous avons pu construire des tubes s'étendant à partir de pores beaucoup plus longs que ceux qui avaient été construits auparavant, ce qui pourrait rapprocher le transport des molécules le long des "autoroutes" des nanotubes de la réalité."

Les nanotubes se forment à l'aide de brins d'ADN tissés entre différentes doubles hélices. Leurs structures ont de petites lacunes comme des pièges à doigts chinois. En raison de leurs dimensions extrêmement réduites, les scientifiques n'avaient pas été en mesure de tester si les tubes pouvaient transporter des molécules sur de plus longues distances sans fuite ou si des molécules pouvaient glisser à travers leurs parois.

Yi Li, titulaire d'un doctorat du département d'ingénierie chimique et biomoléculaire de Johns Hopkins qui a co-dirigé l'étude, a réalisé le nano-équivalent de boucher l'extrémité d'un tuyau et d'ouvrir un robinet pour s'assurer qu'aucune eau ne s'échappe. Yi a bouché les extrémités des tubes avec des "bouchons" d'ADN spéciaux et y a fait passer une solution de molécules fluorescentes pour suivre les fuites et les taux d'afflux.

Les tubes, visibles sous la forme de lignes vert clair, mesurent environ sept nanomètres de diamètre – environ deux millions de fois plus petits qu'une fourmi – et plusieurs microns de long, soit environ la longueur d'une particule de poussière. Crédit :Université Johns Hopkins

En mesurant avec précision la forme des tubes, comment leurs biomolécules se connectaient à des nanopores spécifiques et à quelle vitesse la solution fluorescente s'écoulait, l'équipe a démontré comment les tubes déplaçaient les molécules dans de minuscules sacs cultivés en laboratoire ressemblant à la membrane d'une cellule. Les molécules incandescentes glissèrent comme de l'eau dans une goulotte.

"Maintenant, nous pouvons appeler cela davantage un système de plomberie, car nous dirigeons le flux de certains matériaux ou molécules sur des distances beaucoup plus longues en utilisant ces canaux", a déclaré Li. "Nous sommes en mesure de contrôler quand arrêter ce flux en utilisant une autre structure d'ADN qui se lie très spécifiquement à ces canaux pour arrêter ce transport, fonctionnant comme une valve ou un bouchon."

Les nanotubes d'ADN pourraient aider les scientifiques à mieux comprendre comment les neurones interagissent les uns avec les autres. Les chercheurs pourraient également les utiliser pour étudier des maladies comme le cancer et les fonctions de plus de 200 types de cellules du corps.

Ensuite, l'équipe mènera des études supplémentaires avec des cellules synthétiques et réelles, ainsi qu'avec différents types de molécules.

Les auteurs comprenaient Brice Ménard, professeur de physique et d'astronomie Johns Hopkins, et Himanshu Joshi et Aleksei Aksimentiev de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. + Explorer plus loin