Les ingénieurs de Johns Hopkins ont développé des bandes de gel qui changent de forme lorsqu’on leur donne des instructions chimiques écrites en code ADN. Ces « automates de gel », mesurant seulement quelques centimètres, peuvent grandir ou rétrécir, se transformant d’une lettre ou d’un chiffre à un autre lorsqu’ils sont déclenchés par des molécules d’ADN spécifiques. Cette avancée ouvre la possibilité de robots et de dispositifs médicaux qui changent de forme et qui peuvent se reconfigurer pour effectuer diverses tâches. Leurs recherches sont publié dans Communications naturelles.
« Ces automates de gel, qui répondent aux instructions de l’ADN de manière précise et dynamique, représentent une étape importante vers une nouvelle génération de matériaux adaptatifs et réactifs pour des applications allant de la médecine à la robotique », a déclaré Ruohong Shi, Engr ’23 (Ph.D.), qui a travaillé avec Rebecca Schulman et David Gracias, tous deux professeurs au département de génie chimique et biomoléculaire de la Whiting School of Engineering, sur l’étude. Shi est chercheur postdoctoral au National Institute of Standards and Technology.
Les changements de forme se produisent tout le temps dans la nature, depuis le développement des embryons jusqu’à la croissance et le vieillissement des organismes. En créant les gels, les chercheurs se sont inspirés des systèmes vivants qui utilisent des acides nucléiques pour induire des changements physiques, des machines traditionnelles qui peuvent se reconfigurer à plusieurs reprises en fonction des instructions et des robots mous qui changent de forme en réponse à des signaux lumineux ou électriques.
« Notre étude montre comment nous pouvons programmer des changements de forme similaires dans des matériaux très mous à l’aide de produits chimiques », a déclaré Gracias.
Dans leur étude, les chercheurs ont d’abord développé des gels capables de croître ou de rétrécir en réponse aux signaux de quatre séquences d’ADN indépendantes sans autre intervention humaine. Ils ont observé la transformation des gels, quantifiant leurs réponses à divers signaux chimiques à l’aide de l’imagerie accélérée.
Les ingénieurs Hopkins ont créé de petits gels flexibles qui peuvent être programmés pour changer de forme lorsqu’ils sont exposés à des activateurs à base d’ADN. Crédit : Université Johns Hopkins
Ils ont découvert que la vitesse à laquelle les gels changent de forme est influencée par la rapidité avec laquelle l’eau y entre et en sort. Les chercheurs notent que cela est similaire aux phénomènes naturels impliquant des substances ou des tissus semblables à des gels, tels que la progression des maladies et la guérison du corps au fil du temps.
Ensuite, l’équipe a combiné de minuscules sections de quatre types différents de gels infusés d’ADN pour créer des bandes pouvant changer de forme. Chaque section pourrait être commandée individuellement pour s’agrandir ou se rétrécir, permettant aux chercheurs de contrôler la forme de la bande entière.
« Les organismes utilisent des biomolécules pour diriger des changements spécifiques dans leur forme », a déclaré Schulman. « Nos automates de gel peuvent faire de même : ils sont constitués de micro-segments qui peuvent chacun croître ou rétrécir lorsqu’ils sont exposés aux instructions de l’ADN. »
Pour classer ces formes, ils ont développé un réseau de neurones convolutifs (CNN), un type d’intelligence artificielle qui analyse les modèles visuels. En entraînant cette IA avec des images de chiffres manuscrits et des formes de gel simulées, les chercheurs ont créé des bandes d’un centimètre de long qui pouvaient se transformer entre les lettres de l’alphabet et les nombres pairs ou impairs. Selon l’équipe, cette combinaison innovante de matériaux contrôlés par l’ADN et de classification par l’IA ouvre la porte au développement de matériaux complexes à changement de forme.
« Les automates à gel programmables sont intellectuellement convaincants car ils nous offrent un aperçu de la façon dont nous pourrions créer une matière véritablement programmable », a déclaré Gracias.
Plus d’informations :
Ruohong Shi et al, Programmation de formes d’automates de gel à l’aide d’instructions ADN, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-51198-9