Les canaux artificiels de la membrane cellulaire composés d’ADN peuvent être ouverts et verrouillés avec une clé

Tout comme les pays importent une vaste gamme de biens de consommation à travers les frontières nationales, les cellules vivantes sont engagées dans une activité d’import-export dynamique. Leurs ports d’entrée sont des canaux de transport sophistiqués intégrés dans la membrane protectrice d’une cellule. La régulation des types de marchandises pouvant traverser les zones frontalières formées par la membrane à deux couches de la cellule est essentielle pour son bon fonctionnement et sa survie.

Dans de nouvelles recherches, Hao Yan, professeur à l’Arizona State University, ainsi que des collègues de l’ASU et des collaborateurs internationaux de l’University College London, décrivent la conception et la construction de canaux membranaires artificiels, conçus à l’aide de courts segments d’ADN. Les constructions d’ADN se comportent à la manière des canaux ou des pores cellulaires naturels, offrant un transport sélectif des ions, des protéines et d’autres cargaisons, avec des fonctionnalités améliorées indisponibles dans leurs homologues naturels.

Ces nanocanaux d’ADN innovants pourraient un jour être appliqués dans divers domaines scientifiques, allant des applications de biodétection et d’administration de médicaments à la création de réseaux cellulaires artificiels capables de capturer, de concentrer, de stocker et de livrer de manière autonome une cargaison microscopique..

« De nombreux pores et canaux biologiques sont fermés par réversibilité pour permettre aux ions ou aux molécules de passer à travers », explique Yan. Ici, nous imitons ces processus naturels pour concevoir des nanopores d’ADN qui peuvent être verrouillés et ouverts en réponse à des molécules externes « clés » ou « verrouillées ».

Le professeur Yan est professeur émérite Milton D. Glick en chimie et biochimie à l’ASU et dirige le Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Il est également professeur à l’École des sciences moléculaires de l’ASU.

Les résultats de la recherche paraissent dans le numéro actuel de la revue Communication Nature.

Toutes les cellules vivantes sont enveloppées dans une structure biologique unique, la membrane cellulaire. Le terme scientifique pour de telles membranes est la bicouche phospholipidique, ce qui signifie que la membrane est formée de molécules de phosphate attachées à un composant gras ou lipidique pour former une couche de membrane externe et interne.

Ces couches de membrane intérieure et extérieure sont un peu comme les murs intérieurs et extérieurs d’une pièce. Mais contrairement aux murs normaux, l’espace entre les surfaces intérieure et extérieure est fluide, ressemblant à une mer. De plus, les membranes cellulaires sont dites semi-perméables, permettant l’entrée ou la sortie désignée de la cargaison de la cellule. Un tel transport se produit généralement lorsque la cargaison en transit se lie à une autre molécule, modifiant la dynamique de la structure du canal pour permettre l’entrée dans la cellule, un peu comme l’ouverture du canal de Panama.

Les membranes cellulaires semi-perméables sont nécessaires pour protéger les ingrédients sensibles à l’intérieur de la cellule d’un environnement extérieur hostile, tout en permettant le transit des ions, des nutriments, des protéines et d’autres biomolécules vitales.

Des chercheurs, dont Yan, ont exploré la possibilité de créer synthétiquement des canaux membranaires sélectifs, en utilisant une technique connue sous le nom de nanotechnologie de l’ADN. L’idée de base est simple. Les doubles brins d’ADN qui forment le schéma génétique de tous les organismes vivants sont maintenus ensemble par l’appariement des bases des 4 nucléotides de la molécule, étiquetés A, T, C et G. Une règle simple s’applique, à savoir que les nucléotides A s’apparient toujours avec T et C avec G. Ainsi, un segment d’ADN ATTCTCG formerait un brin complémentaire avec CAAGAGC.

L’appariement de bases d’ADN permet la construction synthétique d’un réseau pratiquement illimité ou de nanostructures 2 et 3D. Une fois qu’une structure a été soigneusement conçue, généralement à l’aide d’un ordinateur, les segments d’ADN peuvent être mélangés et s’auto-assembleront en solution dans la forme souhaitée.

Cependant, la création d’un canal semi-perméable à l’aide de la nanotechnologie de l’ADN s’est avérée un défi épineux. Les techniques conventionnelles n’ont pas réussi à reproduire la structure et les capacités des canaux membranaires naturels et les nanopores d’ADN synthétique ne permettent généralement qu’un transport unidirectionnel de marchandises.

La nouvelle étude décrit une méthode innovante, permettant aux chercheurs de concevoir et de construire un canal membranaire synthétique dont la taille des pores permet le transport d’une cargaison plus importante que les canaux cellulaires naturels. Contrairement aux efforts précédents pour créer des nanopores d’ADN fixés aux membranes, la nouvelle technique construit la structure du canal étape par étape, en assemblant les segments d’ADN composants horizontalement par rapport à la membrane, plutôt que verticalement. La méthode permet la construction de nanopores avec des ouvertures plus larges, permettant le transport d’une plus grande gamme de biomolécules.

De plus, la conception de l’ADN permet au canal d’être sélectivement ouvert et fermé au moyen d’un couvercle à charnière, équipé d’un mécanisme de serrure et de clé. Les « clés » sont constituées de brins d’ADN spécifiques à la séquence qui se lient au couvercle du canal et déclenchent son ouverture ou sa fermeture.

Dans une série d’expériences, les chercheurs démontrent la capacité du canal ADN à transporter avec succès des cargaisons de différentes tailles, allant de minuscules molécules de colorant à des structures protéiques repliées, certaines plus grandes que les dimensions des pores des canaux membranaires naturels.

Les chercheurs ont utilisé la microscopie à force atomique et la microscopie électronique à transmission pour visualiser les structures résultantes, confirmant qu’elles étaient conformes aux spécifications de conception originales des nanostructures.

Des molécules de colorant fluorescent ont été utilisées pour vérifier que les canaux d’ADN ont réussi à percer et à s’insérer à travers la bicouche lipidique de la cellule, fournissant avec succès une entrée sélective des molécules de transport. L’opération de transport a été effectuée dans l’heure suivant la formation du canal, une amélioration significative par rapport aux nanopores d’ADN précédents, qui nécessitent généralement 5 à 8 heures pour un transit complet de la biomolécule.

Les nanocanaux d’ADN peuvent être utilisés pour capturer et étudier les protéines et examiner de près leurs interactions avec les biomolécules auxquelles elles se lient ou étudier le repliement et le dépliement rapide et complexe des protéines. Ces canaux pourraient également être utilisés pour exercer un contrôle précis sur les biomolécules entrant dans les cellules, offrant une nouvelle fenêtre sur l’administration ciblée de médicaments. De nombreuses autres applications possibles découleront probablement de la nouvelle capacité à concevoir sur mesure des canaux de transport artificiels et auto-assemblés.