Auto-assemblage isotherme de nanostructures d’ADN multicomposants et évolutives

De multiples brins d’ADN complémentaires peuvent être recuits thermiquement en entités souhaitées pour concevoir des nanostructures d’ADN. Dans une nouvelle étude publiée aujourd’hui dans Nanotechnologie de la natureCaroline 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, y compris nanogrilles, Origami ADN et les assemblages de tuiles monobrins.

Cet auto-assemblage reposait sur la thermodynamique, passant par de multiples voies de pliage pour créer des nanostructures hautement configurables. La méthode a permis l’auto-sélection de la forme la plus stable dans un large pool de brins d’ADN compétitifs. Fait intéressant, l’origami d’ADN peut passer de manière isotherme 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 par auto-assemblage isotherme pour créer la base de nanomachines adaptatives et faciliter la découverte de nanostructures évolutives.

Auto-assemblage dans la nature et le labo

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. En règle générale, les matériaux synthétiques auto-assemblés résultent de l’organisation d’un seul composant répétitif pour créer un assemblage supramoléculaire stable contenant des micelles ou des cristaux colloïdaux avec un ensemble prescrit de propriétés utiles. De telles constructions ont une capacité de reconfiguration limitée, ce qui rend très difficile la production des structures souhaitées.

De construction Nanotechnologie 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, où le mélange d’ADN est d’abord chauffé au-dessus de sa température de fusion et refroidi lentement pour éviter les pièges cinétiques et assurer hybridation d’ADN spécifique à une séquence.

Nanotechnologie structurale de l’ADN

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 d’ADN isotherme générique pour créer des nanostructures d’ADN élaborées définies par l’utilisateur telles que Origami ADN et les nanogrilles d’ADN. L’équipe de recherche a étudié la complexité structurelle des conceptions d’origami d’ADN et des nanogrilles auto-répétitives à l’aide de microscopie à force atomique pour révéler la multiplicité des chemins de pliage dans des formes d’origami 2D auto-assemblées.

Origami ADN par auto-assemblage en chlorure de sodium

L’équipe a réalisé une série d’expériences dans un environnement d’auto-assemblage isotherme thermodynamiquement régulé pour compléter la transformation de la forme. Ils y sont parvenus en assemblant un mélange d’origami d’ADN sans prétraitement thermique et en incubant les constructions pendant plusieurs heures dans un tampon conventionnel. Comme observé précédemmentquel que soit le temps d’incubation, les résultats n’ont pas montré la formation d’objets de forme appropriée.

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 intermédiaires de sel. Les chercheurs ont montré comment l’auto-assemblage isotherme dans un tampon pouvait être piloté électrostatiquement pour générer une variété de nanostructures personnalisées sous 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’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 sa limitation actuelle qui peut être surmontée en optimisant la conception de la nanostructure.

Multiplicité des voies de pliage et changement de forme

Rossi-Gendron et ses collègues ont étudié plus en détail les mécanismes de l’auto-assemblage isotherme en concevant une méthode pour suivre la voie de repliement de l’origami d’ADN 2D en temps réel. Le travail a montré que la réalisation de la structure d’équilibre pour un origami individuel ne dépendait pas de une voie de pliage spécifiques’appuyant plutôt sur plusieurs chemins, jusqu’à ce qu’il atteigne la forme d’équilibre cible.

Les structures partiellement pliées ont montré divers états de pliage initiaux pour impliquer que plusieurs chemins de pliage ne reposaient pas sur l’auto-assemblage assisté par la 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. En exposant les formes d’origami à un ensemble d’agrafes compétitives, l’équipe a noté comment l’auto-assemblage a conduit à une évolution spontanée de la forme d’origami à une construction stable radicalement différente pour créer un résultat de changement de forme favorisé par la thermodynamique.

Perspectives

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 pour former des objets de forme appropriée comme des origamis ou des nanogrilles d’ADN. Ils ont obtenu ces résultats à température ambiante pour un auto-assemblage à commande thermodynamique par étapes. Les résultats ont indiqué la possibilité de fonctions dynamiques dans des environnements ambiants et des systèmes vivants avec des températures fixes pour la découverte de nanostructures à l’aide de grandes bibliothèques de composants d’ADN.

© 2023 Réseau Science X