Des chercheurs tracent l’avenir de la nanotechnologie des acides nucléiques

Piégées dans une cage microscopique faite de brins d’ADN, les molécules d’un médicament salvateur circulent dans le sang d’un patient atteint de cancer. Ce n’est que lorsque les récepteurs sur les brins sentent qu’ils sont arrivés au bon endroit – les cellules cancéreuses surproduisent une protéine particulière ou présentent un autre comportement anormal – que la cage s’ouvre, délivrant le médicament anticancéreux exactement là où il est nécessaire et laissant les cellules saines du patient indemne.

C’est un exemple de la façon dont la nanotechnologie des acides nucléiques (NAN) à elle seule – utilisant uniquement les propriétés physiques et chimiques des acides nucléiques ADN et ARN plutôt que le code génétique qu’ils portent – révolutionne la médecine.

Mais que se passerait-il si les propriétés uniques de l’ADN et de l’ARN pouvaient être combinées avec les innombrables avantages de la technologie des semi-conducteurs ? Par exemple, les chercheurs développent un nez artificiel en fixant des réseaux de capteurs moléculaires d’ADN miniatures, chacun personnalisé pour détecter une molécule différente, à des puces de silicium. Ce capteur bioélectronique aura la capacité de « flairer » des milliers de produits chimiques différents dans le corps ou dans l’environnement.

Dans un article publié en ligne le 21 octobre dans À l’échelle nanométriqueles chercheurs du NIST, J. Alexander Liddle et Jacob Majikes, ont passé en revue les nombreuses facettes du NAN et ont conclu que la technologie est la plus prometteuse pour faire le pont entre le monde de la biologie et celui des semi-conducteurs.

Certains chercheurs et agences de financement, ont-ils noté, s’attendaient à ce que le NAN puisse supplanter de nombreux aspects de la fabrication des semi-conducteurs et puisse rivaliser avec les technologies existantes pour des utilisations telles que la mémoire d’archivage. Certains scientifiques ont suggéré que les brins pourraient s’auto-assembler efficacement pour construire des circuits intégrés.

Cependant, ces efforts ne sont tout simplement pas économiquement viables, ont affirmé Majikes et Liddle. Les progrès de l’industrie des semi-conducteurs au cours des deux dernières décennies ont permis une fabrication rapide et peu coûteuse des circuits sans NAN. Bien que les possibilités intrigantes offertes par la NAN aient inspiré et attiré des chercheurs du monde entier, l’économie doit être prise en compte lors de la prévision de l’impact de cette nanotechnologie, ont souligné les chercheurs.

Les agences de financement jugeant l’utilité future du NAN devraient également tenir compte du pourcentage élevé de défauts – erreurs d’assemblage – inhérents aux structures de l’ADN, ont déclaré Majikes et Liddle. Les protéines mal assemblées peuvent représenter jusqu’à 30 % de celles présentes dans les organismes. Dans le corps, ce n’est pas un problème; les protéines défectueuses sont recyclées et l’ADN endommagé est réparé. Mais l’industrie des semi-conducteurs ne peut pas tolérer des défauts à un niveau supérieur à une partie sur un billion.

La proportion élevée de défauts fait de NAN un mauvais choix pour fabriquer des appareils électroniques en utilisant l’approche standard « ascendante » – en commençant par des brins d’ADN et en les construisant pour fabriquer des appareils plus grands et plus complexes – ont noté Liddle et Majikes. Au lieu de cela, les applications les plus prometteuses de NAN émergeront en combinant des brins d’ADN ou d’ARN avec des dispositifs biologiques, pharmaceutiques et électroniques existants, ont prédit les chercheurs du NIST.

L’intégration de la technologie NAN et des semi-conducteurs peut produire des biocapteurs qui pourraient être surveillés et contrôlés par des smartphones, et permettre la détection de produits chimiques dans le corps et l’environnement avec une sensibilité inégalée.

Le NAN offre ces possibilités car les brins d’ADN se lient facilement les uns aux autres et à une foule d’autres molécules de manière prévisible et contrôlable.

La versatilité de l’ADN réside dans sa structure, la fameuse échelle torsadée ou double hélice. Deux longues chaînes parallèles de molécules de sucre et de phosphate forment les rails de l’échelle, tandis que les échelons sont constitués de paires de molécules appelées bases. La disposition des bases, dont il n’y en a que quatre, encode le plan de la vie, mais les bases peuvent être remplacées ou remplacées pour créer des structures qui ont des sensibilités différentes à une panoplie de produits chimiques.

Les bases et les sucres le long d’un brin d’ADN restent attachés les uns aux autres car ils partagent une ou plusieurs paires d’électrons, un partenariat connu sous le nom de liaison covalente. En remplaçant une seule base par une ancre chimique, souvent à une extrémité d’un brin, la structure d’ADN restante peut utiliser une liaison covalente pour se fixer à une molécule connectée à une particule d’or ou à un dispositif semi-conducteur. En effet, l’industrie fabrique depuis des années des brins d’ADN artificiels, chacun conçu pour se fixer à un groupe différent de molécules.

Bien que l’hélice double brin, solide et rigide, soit la forme d’ADN la plus connue, elle peut également prendre la forme de brins simples, souples et lâches. S’emboîtant comme des Legos, les chaînes de brins simples et doubles peuvent alors prendre une variété de formes qui bougent et vibrent.

Ces caractéristiques permettent à une structure à base d’ADN de correspondre à une cellule cancéreuse ou à une autre cible « parce que nous pouvons facilement concevoir à la fois la forme et la flexibilité de la structure afin qu’elle s’adapte là où nous le voulons sur une protéine ou une nanoparticule, ou une cellule, et empêchez-le également de s’adapter à des endroits où nous ne voulons pas qu’il aille », a noté Majikes.

« Nous considérons maintenant les brins d’ADN comme la » colle « qui pourrait tenir ensemble et intégrer de nombreux dispositifs et capacités biologiques, pharmaceutiques et électroniques existants », a déclaré Majikes. « Ces produits seront extrêmement diversifiés mais rendront généralement les médicaments plus intelligents et rendront les capteurs électroniques plus nuancés et spécifiques aux molécules », a-t-il ajouté. « NAN est essentiellement un connecteur universel entre presque tous les outils à l’échelle nanométrique, qu’il s’agisse de protéines, de nanoparticules ou d’électrodes. »