Reconstruire avec précision comment les parties d’une molécule complexe sont maintenues ensemble en sachant seulement comment la molécule se déforme et se décompose – tel était le défi relevé par une équipe de recherche dirigée par Cristian Micheletti de SISSA et récemment publiée sur Lettres d’examen physique. En particulier, les scientifiques ont étudié comment une double hélice d’ADN se décompresse lorsqu’elle est transloquée à grande vitesse à travers un nanopore, reconstruisant les propriétés thermodynamiques fondamentales de l’ADN à partir de la seule vitesse du processus.
La translocation des polymères à travers les nanopores a longtemps été étudiée comme un problème théorique fondamental ainsi que pour ses nombreuses ramifications pratiques, par exemple pour le séquençage du génome. Rappelons que cette dernière consiste à faire passer un filament d’ADN à travers un pore si étroit qu’un seul des brins en double hélice peut passer, tandis que l’autre brin est laissé derrière. En conséquence, la double hélice d’ADN transloquée se divisera et se déroulera nécessairement, un effet connu sous le nom de décompression.
L’équipe de recherche, qui comprend également Antonio Suma de l’Université de Bari, premier auteur, et Vincenzo Carnevale de l’Université Temple, a utilisé un groupe d’ordinateurs pour simuler le processus avec différentes forces motrices en gardant une trace de la vitesse de décompression de l’ADN, un type de données qui a rarement été étudiée alors qu’elle est directement accessible dans les expérimentations.
En utilisant des modèles théoriques et mathématiques développés précédemment, les chercheurs ont pu travailler « à l’envers », en utilisant les informations sur la vitesse pour reconstituer avec précision la thermodynamique de la formation et de la rupture de la structure en double hélice.
« Les théories précédentes, expliquent les chercheurs, partaient d’une connaissance fine de la thermodynamique d’un système moléculaire qui servait ensuite à prédire la réponse à des stress externes plus ou moins invasifs. Cela seul est un défi majeur en soi. le problème inverse : nous sommes partis de la réponse de l’ADN à des stress agressifs, comme le décompressage forcé de la double hélice, pour retrouver les détails de la thermodynamique. »
« En raison de la nature invasive et rapide du processus de décompression, le projet semblait voué à l’échec, et c’était probablement la raison pour laquelle il n’avait jamais été essayé auparavant. Cependant, nous savions également que les bons modèles théoriques et mathématiques, le cas échéant, pourraient offrir Nous avons trouvé une solution prometteuse au problème. Après avoir analysé le vaste ensemble de données collectées, nous avons été ravis de découvrir que c’était exactement le cas ; nous étions heureux d’avoir eu la bonne intuition. »
La technique adoptée dans l’étude est générale, et les chercheurs s’attendent donc à pouvoir l’étendre au-delà de l’ADN à d’autres systèmes moléculaires encore relativement inexplorés. Un exemple typique sont les soi-disant moteurs moléculaires, des agrégats de protéines qui utilisent l’énergie pour effectuer des transformations cycliques, tout comme les moteurs de notre vie quotidienne.
« Jusqu’à présent, soulignent les chercheurs, les études sur les moteurs moléculaires ont commencé par formuler des hypothèses sur leur thermodynamique, puis en comparant les prédictions avec les données expérimentales. La nouvelle méthode que nous avons validée devrait permettre de faire le chemin inverse, à savoir utiliser des données de l’extérieur. des expériences d’équilibre pour récupérer la thermodynamique, avec des avantages conceptuels et pratiques clairs. »
Plus d’information:
Antonio Suma et al, Thermodynamique hors équilibre de la décompression des nanopores d’ADN, Lettres d’examen physique (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.048101