mardi , 21 novembre 2017

Un robot d’ADN qui peut transporter des molécules

Des chercheurs proposent une machine moléculaire sous la forme d’un robot ADN qui est capable de se déplacer sur une surface en ramassant des molécules et en les livrant dans des endroits précis. Le processus est encore lent, mais cela offre des perspectives très intéressantes pour l’ingénierie moléculaire.


Un robot d’ADN qui peut transporter des molécules
Une illustration artistique de 2 robots d'ADN qui effectuent des tâches de transport et de tri sur une surface ADN en origami. Ils transportent des molécules fluorescentes de différentes couleurs à partir d'endroit aléatoire vers des endroits ciblés - Crédit : Demin Liu
Imaginez un robot qui pourrait vous aider à ranger votre maison, promener votre chien, trier des chaussettes, faire la lessive et mettre les plats sales dans le lave-vaisselle. Un tel robot est encore une chose de la science-fiction, mais les scientifiques de Caltech ont développé une machine moléculaire autonome qui peut effectuer des tâches similaires à l’échelle nanométrique. Ce robot, constitué d’un seul brin d’ADN, peut marcher de manière autonome autour d’une surface, ramasser certaines molécules et les déposer dans des endroits désignés. Les travaux ont été réalisés au laboratoire de Lulu Qian, professeur adjoint de bioingénierie et ils sont publiés dans la revue Science. 1

Pourquoi des Nanobots ?

Tout comme les robots électromécaniques qu’on envoie sur Mars, nous aimerions envoyer des robots moléculaires dans des endroits minuscules où les humains ne peuvent pas aller tels que le flux sanguin selon Qian. Notre objectif était de concevoir et de construire un robot moléculaire capable de réaliser une tâche nanomécanique sophistiquée qui est le tri de molécules.

Comment construire un robot moléculaire ?

Dirigés par Anupama Thubagere, les chercheurs ont construit 3 briques élémentaires qui pourraient être utilisées pour assembler un robot d’ADN. 1 jambe avec 2 pieds pour marcher, 1 bras et 1 main pour ramasser la cargaison, un segment qui peut reconnaître un point de dépôt spécifique et un signal sur la main pour libérer sa cargaison. Chacun de ces composants est composé de quelques nucléotides dans un seul brin d’ADN.

Une illustration artistique de 2 robots d'ADN qui effectuent des tâches de transport et de tri sur une surface ADN en origami. Ils transportent des molécules fluorescentes de différentes couleurs à partir d'endroit aléatoire vers des endroits ciblés - Crédit : Demin Liu

Une illustration artistique de 2 robots d’ADN qui effectuent des tâches de transport et de tri sur une surface ADN en origami. Ils transportent des molécules fluorescentes de différentes couleurs à partir d’endroit aléatoire vers des endroits ciblés – Crédit : Demin Liu

En principe, ces blocs de construction modulaires pourraient être assemblés de différentes façons pour accomplir différentes tâches. Par exemple, on pourrait utiliser un robot d’ADN avec plusieurs mains et des bras pour transporter plusieurs molécules simultanément.

Dans leurs travaux, le groupe de Qian a construit un robot qui pourrait explorer une surface moléculaire, ramasser 2 molécules différentes, un colorant jaune fluorescent et un colorant rose fluorescent et les distribuer à 2 régions distinctes sur la surface. L’utilisation de molécules fluorescentes a permis aux chercheurs de voir si les molécules sont arrivées dans leurs emplacements prévus. Le robot d’ADN a pu trier 6 molécules dispersées, 3 roses et 3 jaunes, dans les bons emplacements en 24 heures. Des robots supplémentaires à la surface réduisent le temps nécessaire pour terminer la tâche.

Même si nous avons démontré un robot pour cette tâche spécifique, on peut utiliser cette conception pour fonctionner avec des dizaines de types de cargaisons à n’importe quel emplacement initial arbitraire à la surface selon Thubagere. On pourrait également avoir plusieurs robots exécutant diverses tâches de tri en parallèle.

La conception à travers l’ADN

La clé de voute, pour la conception d’un robot d’ADN, est le fait que l’ADN possède des propriétés chimiques et physiques uniques qui sont connues et programmables. Un seul brin d’ADN est composé de 4 molécules différentes appelées nucléotides, abrégées A, G, C et T et qui sont disposées dans une chaîne appelée séquence. Ces nucléotides se lient dans des paires spécifiques : A avec T et G avec C. Quand un brin individuel rencontre ce qu’on connait comme un brin complémentaire inverse, par exemple CGATT et AATCG, alors les 2 brins se ferment (ils se zippent) ensemble sous la forme d’une double hélice classique.

Ella Maru Studio (www.scientific-illustrations.com)

Ella Maru Studio (www.scientific-illustrations.com)

Un seul brin, contenant les bons nucléotides, peut forcer 2 brins partiellement “fermés” à se décomposer l’un par rapport à l’autre. On peut estimer la vitesse des événements de fermeture et d’ouverture et la quantité d’énergie nécessaire pour n’importe quelle séquence d’ADN donnée. Et cela permet aux chercheurs de contrôler la rapidité avec laquelle le robot d’ADN se déplace et la quantité d’énergie qu’il utilise pour effectuer une tâche. De plus, on peut calculer la longueur d’un seul brin ou de 2 brins fermés. Ainsi, la jambe et le pied d’un robot d’ADN peuvent être conçus pour une taille souhaitée et dans cette étude, cette taille faisait 6 nanomètres.

En utilisant ces principes chimiques et physiques, les chercheurs peuvent concevoir non seulement des robots, mais aussi des terrains de jeux tels que des tableaux perforés pour tester ces robots. Dans leur étude, le robot d’ADN se déplace sur un tableau perforé d’une dimension de 58 x 58 nanomètres sur lesquels les chevilles sont constituées de brins individuels d’ADN complémentaires à la jambe et au pied du robot. Le robot se lie à une cheville avec sa jambe et l’un de ses pieds tandis que l’autre pied flotte librement. Quand les fluctuations moléculaires aléatoires font en sorte que ce pied libre rencontre une cheville voisine, alors il tire le robot sur la nouvelle cheville et son autre pied est libéré. Ce processus se poursuit avec le robot se déplaçant dans un sens aléatoire à chaque étape.

Il faut une journée pour que ce robot d’ADN explore tout le tableau. Et quand le robot rencontre des molécules de cargaison attachées aux chevilles sur le chemin, alors il les saisit avec ses “mains” et il les entraîne jusqu’à ce qu’il détecte le signal de livraison. Le processus est lent, mais il permet une conception de robot très simple qui utilise très peu d’énergie chimique.

Des applications futuristes

Nous ne développons pas de robots d’ADN pour des applications spécifiques. Notre laboratoire se concentre sur la découverte des principes d’ingénierie qui permettent le développement de robots d’ADN à usage général selon Qian. Mais j’espère que d’autres chercheurs vont utiliser ces principes pour des applications passionnantes comme l’utilisation d’un robot d’ADN pour synthétiser un produit chimique thérapeutique à partir de ses éléments constitutifs dans une usine moléculaire artificielle, délivrer un médicament sur la base d’un signal spécifique dans les flux sanguins ou les cellules ou le tri des composants moléculaires pour le recyclage.

Sources

1.
A cargo-sorting DNA robot. Science. http://dx.doi.org/10.1126/science.aan6558. Consulté le septembre 13, 2017.
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A propos de Jacqueline Charpentier

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Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d’emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l’actualité scientifique et celle de la santé.

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