L’ADN peut faire bien plus que transmettre le code génétique d’une génération à l’autre. Depuis près de 20 ans, les scientifiques connaissent la capacité de cette molécule à stabiliser des amas d’atomes d’argent de taille nanométrique. Certaines de ces structures brillent visiblement en rouge et en vert, ce qui les rend utiles dans diverses applications chimiques et de biodétection.

Stacy Copp, professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'UCI, voulait voir si les capacités de ces minuscules marqueurs fluorescents pouvaient être étendues encore plus loin, dans la gamme proche infrarouge du spectre électromagnétique, pour donner aux chercheurs en biosciences le pouvoir de voir à travers le vivant. cellules et même des centimètres de tissu biologique, ouvrant ainsi la porte à des méthodes améliorées de détection et de traitement des maladies.

"Il existe un potentiel inexploité pour étendre la fluorescence des nanoclusters d'argent stabilisés par l'ADN dans la région proche infrarouge", dit-elle. "La raison pour laquelle c'est si intéressant est que nos tissus et fluides biologiques sont beaucoup plus transparents à la lumière proche infrarouge qu'à la lumière visible."

Copp affirme que les scientifiques et les ingénieurs ont recherché de nouvelles façons de scanner les tissus corporels pour éviter les effets secondaires de mutation des rayons X ou de demander aux patients d'ingérer des radionucléides pour détecter des tumeurs. "Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles il serait intéressant d'utiliser une lumière proche infrarouge non invasive et non dangereuse, qui est essentiellement de la chaleur", dit-elle. "Mais l'un des plus grands défis est que nous n'avons pas vraiment de bons fluorophores non toxiques, c'est-à-dire des molécules ou des nanoparticules qui émettent cette lumière proche infrarouge."

Les gens connaissent les pouvoirs antimicrobiens de l’argent depuis l’Antiquité. L'élément tue les bactéries mais est inoffensif pour la plupart des cellules de mammifères ; il est même utilisé pour lutter contre les odeurs de certains tissus portés par les humains. Copp affirme que des études récentes ont montré que les nanoclusters d'argent stabilisés par l'ADN ont une faible cytotoxicité et que l'ADN est intrinsèquement biocompatible, ce qui rend ces composés potentiellement sûrs à utiliser en milieu clinique.

Comme pour beaucoup de choses liées à l’ADN, il existe une quantité presque incompréhensible de permutations de séquences, dont seul un petit sous-ensemble possède les qualités fluorescentes recherchées par les chercheurs. À l'UC Santa Barbara, Copp faisait partie d'une équipe qui a conçu un instrument capable d'analyser rapidement des centaines de nanoamas d'argent à la fois pour voir s'ils émettent dans le proche infrarouge. Grâce à cet outil, les scientifiques ont pu trouver un grand nombre de séquences candidates auparavant cachées.

Dans son laboratoire du bâtiment interdisciplinaire des sciences et de l'ingénierie Susan et Henry Samueli de l'UCI, Copp a lancé un projet avec Peter Mastracco, son premier doctorat. étudiante, pour profiter de nouvelles données reliant les séquences d'ADN aux couleurs des nanoclusters, que Copp dit comparer à un « génome de nanocluster ». Elle a demandé à Mastracco de développer une méthode d'apprentissage automatique qui pourrait les aider à analyser des montagnes de données expérimentales pour produire de nouvelles séquences d'ADN (pouvant être créées en laboratoire) ouvrant l'accès à la région proche infrarouge.

Au début du projet, Mastracco a trouvé un document de recherche montrant la structure cristalline aux rayons X d'un nanoamas d'argent stabilisé par l'ADN. "Cela nous a littéralement donné une idée de l'endroit où se trouvent tous les atomes d'argent et de la manière dont l'ADN est replié autour du nanocluster", explique Copp. "Et il a repéré quelque chose que je n'avais pas remarqué auparavant, à savoir que l'ADN se repliait autour du nanoamas d'une manière particulière."

Les chercheurs ont émis l'hypothèse que s'ils codaient des informations sur cette particularité de repliement dans leurs modèles d'apprentissage automatique, ils pourraient être en mesure de prédire la couleur de fluorescence des nanoclusters.

Une partie du doctorat de Mastracco. la formation dans le groupe de Copp devait devenir un mentor. Au cours de l'été 2020, un des premiers pics de la pandémie de COVID-19, il a été jumelé à Josh Evans, étudiant au Chaffey College, un collège communautaire doté de campus dans l'Inland Empire de Californie.

Selon Copp, Evans a conçu une manière créative d'interpréter plus clairement les résultats des modèles de Mastracco. "Certains de ces algorithmes peuvent fonctionner comme une boîte noire", explique Copp. "Vous fournissez un ensemble de données à l'algorithme d'apprentissage automatique, qui apprend les tendances de ces données, ce qui vous aide à faire des prédictions. Mais il peut vraiment être difficile d'ouvrir le couvercle pour découvrir ce qui se passe dans la boîte."

Evans a aidé à résoudre ce problème en utilisant un « outil de sélection de caractéristiques » qui a permis à l'équipe de déterminer quelle partie de la séquence d'ADN était corrélée aux différentes couleurs de fluorescence des nanoclusters.

Copp affirme que cette avancée est devenue une contribution essentielle à un article de recherche (avec Mastracco comme auteur principal) publié dans la revue ACS Nano. .

Les travaux du groupe de recherche Copp sur les nanoclusters fluorescents se poursuivent à un rythme soutenu. Ils ont récemment publié un deuxième article sur le sujet dans le Journal of the American Chemical Society. , celui-ci dirigé par Ph.D. Anna Gonzalez Rosell, étudiante, qui a encadré Nery Arevalos, co-auteur de premier cycle de l'UCI.

"Cet article représente une avancée majeure dans le développement de nanoclusters véritablement biocompatibles pour l'imagerie proche infrarouge", déclare Copp. "Plusieurs de mes étudiants ont travaillé sur ces articles, et le mentorat de premier cycle a joué un rôle essentiel dans les projets. C'est un arrangement qui fonctionne incroyablement bien pour fournir des résultats de recherche et aider les jeunes scientifiques à atteindre leurs objectifs."

Plus d'informations : Peter Mastracco et al, L'apprentissage automatique basé sur la chimie permet la découverte de nanoclusters d'argent stabilisés par l'ADN avec fluorescence proche infrarouge, ACS Nano (2022). DOI :10.1021/acsnano.2c05390

Anna Gonzàlez-Rosell et al, Ligands chlorure sur nanoclusters d'argent stabilisés par l'ADN, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI :10.1021/jacs.3c01366

Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society , ACS Nano

Fourni par l'Université de Californie, Irvine