Plusieurs brins d’ADN complémentaires peuvent être recuits thermiquement en entités souhaitées pour créer des nanostructures d’ADN. Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Nanotechnology , Caroline Rossi-Gendron et une équipe de chercheurs en chimie, science des matériaux et biologie en France et au Japon ont utilisé un tampon sans magnésium contenant du chlorure de sodium, des cocktails complexes de brins d'ADN et de protéines pour s'auto-assembler de manière isotherme à température ambiante ou à température physiologique en nanostructures définies par l'utilisateur, notamment des nanogrilles, des origami d'ADN et des assemblages de tuiles simple brin.
Cet auto-assemblage reposait sur la thermodynamique, passant par plusieurs voies de repliement pour créer des nanostructures hautement configurables. La méthode a permis l’autosélection de la forme la plus stable dans un large pool de brins d’ADN compétitifs. Il est intéressant de noter que l’origami à ADN peut passer de manière isothermique d’une forme initialement stable à une forme radicalement différente grâce à un échange de brins de base constitutifs. Cela a élargi la collection de formes et de fonctions obtenues via l'auto-assemblage isotherme pour créer la base de nanomachines adaptatives et faciliter la découverte de nanostructures évolutives.
L'auto-assemblage se produit lorsque des entités naturelles ou conçues de manière rationnelle peuvent intégrer les informations nécessaires pour interagir spontanément et s'auto-organiser en superstructures fonctionnelles d'intérêt. Généralement, les matériaux synthétiques auto-assemblés résultent de l’organisation d’un composant unique répétitif pour créer un assemblage supramoléculaire stable contenant des micelles ou des cristaux colloïdaux dotés d’un ensemble prescrit de propriétés utiles. De telles constructions ont une reconfigurabilité limitée, ce qui rend très difficile la production des structures souhaitées.
La nanotechnologie structurale de l'ADN explore le principe d'appariement de bases dépendant de la séquence entre les simples brins d'ADN synthétique pour surmonter ce défi et assembler des superstructures diverses et élaborées d'une forme, d'une taille et d'une spécificité fonctionnelle prévues à grande échelle avec une gamme d'applications. Les structures à plusieurs composants sont généralement dérivées d'un processus de recuit thermique, dans lequel le mélange d'ADN est d'abord chauffé au-dessus de sa température de fusion et refroidi lentement pour éviter les pièges cinétiques et garantir une hybridation d'ADN spécifique à la séquence.
Le recuit thermique peut entraver la possibilité de formation spontanée de nanostructures dans des conditions fixes. Dans ce travail, Rossi-Gendron et ses collègues ont donc décrit que la principale méthode de nanotechnologie structurelle de l'ADN dépend du même principe d'auto-assemblage isotherme générique de l'ADN pour créer des nanostructures d'ADN élaborées définies par l'utilisateur, telles que l'origami d'ADN et les nanogrilles d'ADN. L'équipe de recherche a étudié la complexité structurelle des conceptions d'origami à ADN et des nanogrilles auto-répétitives en utilisant la microscopie à force atomique pour révéler la multiplicité des voies de pliage dans les formes d'origami 2D à auto-assemblage.
Origami ADN par auto-assemblage dans du chlorure de sodium
L’équipe a réalisé une série d’expériences dans un environnement d’auto-assemblage isotherme régulé thermodynamiquement pour achever la transformation de forme. Ils y sont parvenus en assemblant un mélange d'ADN origami sans prétraitement thermique et en incubant les constructions pendant plusieurs heures dans un tampon conventionnel. Comme observé précédemment, quel que soit le temps d'incubation, les résultats n'ont pas montré la formation d'objets correctement formés.
L'équipe a opté pour un tampon alternatif complété par des sels monovalents pour favoriser l'échange et la reconfiguration des agrafes afin de noter la formation remarquable de triangles pointus correctement pliés à température ambiante en quelques heures. Ces résultats étaient cohérents pour toutes les concentrations de sel intermédiaires. Les chercheurs ont montré comment l'auto-assemblage isotherme dans un tampon pouvait être piloté électrostatiquement pour générer une variété de nanostructures personnalisées dans une large fenêtre de température.
Ils ont exploré le concept d'auto-assemblage isotherme de l'origami 3D pour mettre en évidence la possibilité d'un auto-assemblage spontané à température ambiante ou corporelle sans prétraitement thermique afin de créer une variété de morphologies pour illustrer la polyvalence de l'auto-assemblage. Néanmoins, le très faible rendement des constructions a mis en évidence ses limites actuelles qui peuvent être surmontées en optimisant la conception de la nanostructure.
Rossi-Gendron et ses collègues ont étudié plus en détail les mécanismes d'auto-assemblage isotherme en concevant une méthode permettant de suivre le chemin de pliage de l'origami d'ADN 2D en temps réel. Les travaux ont montré que l'obtention de la structure d'équilibre pour un origami individuel ne dépendait pas d'une voie de pliage spécifique, mais de plusieurs voies, jusqu'à ce qu'il atteigne la forme d'équilibre cible.
Les structures partiellement pliées présentaient divers états de pliage initiaux, ce qui impliquait que les multiples chemins de pliage ne reposaient pas sur un auto-assemblage assisté en surface. Les résultats concluent que la formation d'origami isotherme est un processus thermodynamiquement régulé par lequel les structures atteignent un état d'équilibre via l'auto-assemblage. Après avoir exposé les formes d'origami à un ensemble d'éléments concurrents, l'équipe a noté comment l'auto-assemblage conduisait à une évolution spontanée de la forme de l'origami à une construction stable radicalement différente pour créer un résultat de changement de forme thermodynamiquement favorisé.
De cette façon, Rossi-Gendron et ses collègues ont utilisé un tampon salin générique et un mélange hautement multicomposant de brins d’ADN pour s’auto-assembler spontanément à température constante sur une plage de températures afin de former des objets correctement formés comme des origamis ou des nanogrilles d’ADN. Ils ont obtenu ces résultats à température ambiante pour un auto-assemblage thermodynamique par étapes. Les résultats ont indiqué la possibilité de fonctions dynamiques dans des environnements ambiants et des systèmes vivants à températures fixes pour la découverte de nanostructures à l'aide de grandes bibliothèques de composants d'ADN.
Plus d'informations : Caroline Rossi-Gendron et al, Auto-assemblage isotherme de nanostructures d'ADN multicomposantes et évolutives, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01468-2
Paul W. K. Rothemund, Plier l'ADN pour créer des formes et des motifs à l'échelle nanométrique, Nature (2006). DOI :10.1038/nature04586
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle , Nature
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