Démystifier la cinétique d’hybridation de l’ADN

Des nanoscientifiques et des physiciens théoriciens du nœud australien EMBL de l’UNSW Medicine & Health dans la science des molécules uniques ont uni leurs forces pour démystifier les mécanismes complexes régissant la rapidité avec laquelle deux brins d’ADN correspondants peuvent se réunir – ou s’hybrider – pour former de l’ADN double brin. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Recherche sur les acides nucléiques.

Une théorie a été proposée il y a environ 50 ans, supposant que la rapidité d’hybridation des brins d’ADN est déterminée par le contact initial qui conduit à une liaison supplémentaire de la chaîne de bases correspondantes sur les brins d’ADN, appelées interactions de nucléation. Jusqu’à présent, cette théorie n’avait jamais été prouvée en raison des nombreuses complexités entourant la biologie de l’ADN.

« Il existe un nombre énorme de voies par lesquelles deux brins entièrement dissociés peuvent se lier l’un à l’autre. Les peuplements d’ADN ne se réunissent pas en un duplex entièrement hybride en un instant. À un moment donné, seules deux ou trois paires de bases se rejoindront spontanément. C’est ce qu’est un événement de nucléation », a déclaré le professeur agrégé Lawrence Lee, qui dirigeait l’équipe de chercheurs de l’UNSW Medicine & Health, de l’UNSW Science et de l’Imperial College de Londres.

« Nous avons construit un modèle mathématique simple, qui n’a que deux paramètres, et nous nous sommes demandé : si nous savions seulement combien d’interactions de nucléation il y avait et à quel point elles étaient stables, pourrions-nous prédire les taux d’hybridation ? Et nous avons trouvé que la réponse était oui. » il a dit.

Pour tester quantitativement ce modèle, l’équipe de recherche a traduit l’hypothèse originale en une formule mathématique qu’ils pourraient utiliser pour mesurer par rapport à leurs observations expérimentales avec de l’ADN synthétique.

A/Prof Lee explique que la simplicité était essentielle à la puissance prédictive de leur modèle.

« Si un modèle mathématique contient trop de paramètres différents, il n’est plus utile pour faire des prédictions. La principale différence avec les tentatives précédentes pour comprendre les taux d’hybridation de l’ADN était que notre modèle avait peu de paramètres et a été testé par rapport à des séquences d’ADN qui ne devraient pas former de structures secondaires. , » il a dit.

Les structures secondaires de l’ADN se forment lorsque les brins se replient sur eux-mêmes, ce qui peut potentiellement obscurcir les sites de nucléation et de liaison.

« La théorie est que si cette petite interaction initiale est suffisamment stable, elle ira de là à une fermeture éclair très rapide des brins d’ADN. Si l’étape limitante est la nucléation, il s’ensuit que si vous avez plus d’états de nucléation, alors le L’ADN devrait s’hybrider plus rapidement », a déclaré A/Prof Lee.

Cette découverte a le potentiel d’améliorer notre compréhension des systèmes biologiques. La capacité de prédire ou de contrôler le taux d’hybridation de l’ADN pourrait également aider à affiner ou à étendre l’utilité des nanotechnologies. Grâce à cette nouvelle compréhension, les chercheurs peuvent ajuster le nombre et la stabilité des interactions de nucléation et, à leur tour, contrôler le taux de liaison à l’ADN. Ceci peut être réalisé de plusieurs manières, notamment en modifiant la température de réaction, la séquence d’ADN et la force ionique de la solution.

« Nous pouvons générer des images haute résolution à l’aide de peinture ADN – des brins d’ADN fluorescents utilisés comme étiquettes pour la microscopie – car nous mesurons la liaison et la déliaison de l’ADN à des molécules individuelles. Mais l’acquisition de données peut prendre beaucoup de temps. Si nous pouvions concevoir rationnellement des séquences pour la peinture ADN, afin qu’elle puisse se lier plus rapidement, nous pourrions alors réduire le temps d’acquisition pour l’imagerie à super résolution », a déclaré A/Prof Lee.