Une découverte intéressante dans l’origami ADN pour la nanotechnologie
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Les chercheurs rapportent la découverte d’une nouvelle approche dans ce qu’on appelle l’origami ADN qui permet de créer toutes sortes de structures basées sur l’ADN. Cette nouvelle approche peut amener des applications pratiques en nanotechnologie.
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Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont été inspirés par l’ADN afin de créer des formes pour la nanotechnologie. Ce champ en plein essor est appelé l’origami ADN. Cette discipline a emprunté son surnom aux artistes qui créent des oiseaux, des fleurs et des avions de manière imaginative avec une seule feuille de papier.
De même, les scientifiques de l’origami ADN imaginent une variété de formes, à une échelle mille fois plus petite qu’un cheveu humain, qu’ils espèrent qu’elles vont révolutionner l’informatique, l’électronique et la médecine.
Sommaire
L’origami ADN
Désormais, une équipe de scientifiques de l’Arizona et de Harvard a fait une avancée majeure dans la nanotechnologie de l’ADN. Surnommée origami simple brin (ssOrigami), leur nouvelle stratégie utilise un brin d’ADN semblable à une nouille ou son ARN qui peut s’auto-plier, sans un noeud, dans les structures les plus complexes à ce jour.1 Et les brins, formant ces structures, peuvent être crée à l’intérieur de cellules vivantes ou en utilisant des enzymes dans un tube à essai en permettant aux scientifiques d’utiliser une approche plug-and-play avec de nouveaux designs et fonctions pour la nanomédecine.
Je pense que c’est une percée intéressante et une excellente opportunité pour la biologie synthétique selon Hao Yan, co-inventeur de la technologie, directeur du Centre de conception moléculaire et de biomimétique de l’Institut Biodesign de l’ASU. Nous sommes toujours inspirés par les conceptions de la nature pour faire des molécules porteuses d’informations qui peuvent s’auto-plier dans les formes nanométriques qui nous intéresse.
2 structure d’origami ADN en forme de coeur et losange – Biodesign Institute, Arizona State University
Comme preuve de concept, ils ont utilisé cette enveloppe pour faire des visages souriants, des coeurs, des formes de triangle avec 18 formes au total qui augmentent considérablement l’espace de conception et l’évolutivité du matériau pour ce qu’on appelle la nanotechnologie de base.
Une question de taille
À ce jour, les chercheurs en nanotechnologie de l’ADN ont dû se baser sur 2 principales méthodes principales pour réaliser des structures adressables sur le plan spatial avec des dimensions finies. La première était constituée de briques moléculaires qui sont de petits fragments d’ADN qui peuvent se replier pour former une seule structure. La deuxième méthode est l’ADN en échafaudage où un seul brin est façonné en une structure qui utilise des brins auxiliaires d’ADN qui agrafe la structure en place.
Ces 2 méthodes ne sont pas très évolutives en termes de synthèse selon Fei Zhang, co-auteur principal du papier. Quand vous avez beaucoup de petits fragments d’ADN, vous ne pouvez pas les reproduire en utilisant des systèmes biologiques, par exemple, pour créer un long brin qui pourrait se replier dans n’importe quel design ou architecture. En outre, chaque méthode est limitée, car, à mesure que la taille de la structure augmente, la capacité de se plier correctement devient plus difficile.
Une nouvelle technique de pliage en nanotechnologie
Pour que Yan et son équipe puissent découvrir de nouvelles pistes, ils ont dû retourner aux fondamentaux et cela signifie d’observer de nouveau la nature pour trouver l’inspiration. Ils ont trouvé ce qu’ils cherchaient avec un cousin chimique de l’ADN sous la forme de structures d’ARN complexes. Les structures d’ARN complexes découvertes à ce jour contiennent des molécules d’ARN monocaténaires qui s’auto-replient dans des structures sans noeuds topologiques. Est-ce que cette astuce pourrait fonctionner à nouveau pour l’ADN simple-brin ou l’origami d’ARN ?
Ils ont réussi à déchiffrer le code de la façon dont l’ARN fabrique des structures pour développer une architecture d’origami simple brin entièrement programmable. La principale innovation de notre étude est d’utiliser l’ADN et l’ARN pour construire une structure complexe, mais sans noeuds, qu’on peut plier en douceur à partir d’un seul brin selon Yan. Cela nous a donné une stratégie de conception pour nous permettre de plier un long brin dans l’architecture complexe.
Un origami ADN en forme d’Emoji de visage souriant – Crédit : Biodesign Institute, Arizona State University
Avec l’aide d’un informaticien de l’équipe, nous pouvions également codifier le processus de conception en tant qu’algorithme formel rigoureux et automatiser la conception en développant un logiciel convivial selon Yan. L’algorithme et le logiciel ont été validés par la conception automatisée et la construction expérimentale de 6 structures d’ssOrigami ADN différentes (4 losanges et 2 formes de coeur).
La forme et la fonction
C’est une chose de créer des modèles astucieux et des visages souriants avec de l’ADN, mais les critiques de l’origami ADN attendent surtout les applications pratiques. Je pense que nous sommes beaucoup plus proches des vraies applications pratiques de la technologie selon Yan. Nous étudions activement les premières applications de la nanomédecine avec notre technologie ssOrigami.
Ils ont également pu démontrer qu’une structure de ssOrigami pliée peut être fondue et utilisée comme matrice pour l’amplification par des enzymes de copie d’ADN dans un tube à essai et que le brin ssOrigami peut être répliqué et amplifié via la production clonale dans des cellules vivantes.
Les nanostructures d’ADN monocaténaire, forées par auto-repliement, offrent un plus grand potentiel d’amplification, de réplication et de clonabilité et donc, la possibilité d’une production rentable à grande échelle utilisant la réplication enzymatique et biologique ainsi que la possibilité d’utiliser l’évolution in vitro pour produire des phénotypes et des fonctionnalités sophistiquées selon Yan.
Des règles de conception applicables sur l’ARN
Une caractéristique essentielle de l’origami simple brin (ssOrigami) est qu’on peut fabriquer et copier le brin en laboratoire et dans des cellules vivantes et qu’on peut le plier dans des structures conceptrices en chauffant et en refroidissant l’ADN. Pour le faire à l’intérieur du laboratoire, ils ont utilisé la Réaction en chaîne par polymérase (PCR) pour répliquer et produire du ssADN.
À l’intérieur des cellules vivantes, ils l’ont d’abord placé à l’intérieur d’une mule de clonage moléculaire, appelée plasmide, après avoir été placée dans une bactérie de laboratoire commune appelée E. coli. Quand ils ont traité les bactéries avec des enzymes pour libérer le ssADN, ils ont pu l’isoler, puis le replier dans sa structure cible.
Un modèle de dépilage du ssOrigami sous une gravité simulée – Crédit : D. Han et al., Science (2017)
Étant donné qu’on peut reproduire l’ADN plasmidique dans E. coli, on peut augmenter la production en cultivant un grand volume de cellules d’E. coli à faible coût selon Yan. Cela contourne la contrainte d’avoir à synthétiser tout l’ADN à partir de rien ce qui coûte beaucoup plus cher. Ce processus les fait progresser dans une direction où ils peuvent créer des structures à l’intérieur des cellules.
Nous montrons des bactéries pour créer le brin, mais on a encore besoin de créer un recuit thermique à l’extérieur des bactéries pour former la structure selon Yan. La situation idéale serait de concevoir une séquence d’ARN qui puisse être transcrite à l’intérieur des bactéries et de se replier à l’intérieur des bactéries afin que nous puissions utiliser des bactéries comme une nano-usine pour produire le matériau.
Les chercheurs ont démontré un cadre pour concevoir et synthétiser un seul brin d’ADN ou d’ARN pour s’auto-replier efficacement dans une structure ssOrigami compacte non nouée qui se rapproche de toute forme de cible arbitrairement prescrite par l’utilisateur. Son caractère monocaténaire a permis la démonstration de la réplication facile du brin in vitro et dans les cellules vivantes et sa programmabilité nous a permis de codifier le processus de conception et de développer un outil de conception automatisée.
Une nouvelle approche de design
Dans le logiciel (disponible sur http://dna.kwonan.com/), réalisé en collaboration avec le BioNano Research Group et Autodesk Research, l’utilisateur sélectionne d’abord une forme cible qui est convertie en représentation pixélisée. L’utilisateur peut télécharger une image 2D ou dessiner une forme à l’aide d’un éditeur de conception de pixels 2D.
L’utilisateur peut éventuellement ajouter des épingles ou des boucles d’ADN qui peuvent servir de marqueurs de surface ou de poignées pour attacher des entités externes. Les pixels sont convertis en domaines hélicoïdaux d’ADN et les domaines de verrouillage pour effectuer le pliage. Le logiciel va ensuite générer des structures et des séquences ssOrigami et l’utilisateur peut visualiser la structure moléculaire via un visualiseur moléculaire intégré. Finalement, la séquence d’ADN est assignée au brin du cycle et la structure pliée souhaitée est fabriquée en laboratoire et confirmée visuellement sous un microscope.
Nous avons vraiment augmenté la complexité tout en réduisant les coûts selon Yan. Cette étude élargit considérablement l’espace de conception et l’évolutivité de la nanotechnologie fondamentale et ouvre la porte aux applications de santé.
