Émerveillez-vous devant les minuscules structures à l’échelle nanométrique émergeant des laboratoires de recherche de l’Université Duke et de l’Université d’État de l’Arizona, et il est facile d’imaginer que vous parcourez un catalogue de la plus petite poterie du monde.
Un nouveau papier révèle certaines des créations des équipes : de tout petits vases, des bols et des sphères creuses, les unes cachées dans les autres, comme des articles ménagers pour une poupée gigogne russe.
Mais au lieu de les fabriquer à partir de bois ou d’argile, les chercheurs ont conçu ces objets à partir de molécules d’ADN filiformes, pliées et pliées en objets tridimensionnels complexes avec une précision nanométrique.
Ces créations démontrent les possibilités d’un nouveau logiciel open-source développé par Duke Ph.D. étudiant Dan Fu avec son conseiller John Reif. Décrite le 23 décembre dans le journal Avancées scientifiquesle logiciel permet aux utilisateurs de prendre des dessins ou des modèles numériques de formes arrondies et de les transformer en structures 3D faites d’ADN.
Les nanostructures d’ADN ont été assemblées et imagées par les co-auteurs Raghu Pradeep Narayanan et Abhay Prasad dans le laboratoire du professeur Hao Yan à l’Arizona State. Chaque petit objet creux ne mesure pas plus de deux millionièmes de pouce de diamètre. Plus de 50 000 d’entre eux pourraient tenir sur la tête d’une épingle.
Mais les chercheurs disent que ce sont plus que de simples nano-sculptures. Le logiciel pourrait permettre aux chercheurs de créer de minuscules conteneurs pour administrer des médicaments ou des moules pour couler des nanoparticules métalliques avec des formes spécifiques pour cellules solaires, l’imagerie médicale et d’autres applications.
Pour la plupart des gens, l’ADN est le modèle de la vie ; les instructions génétiques pour tous les êtres vivants, des pingouins aux peupliers. Mais pour des équipes comme celles de Reif et Yan, l’ADN est plus qu’un vecteur d’informations génétiques, c’est un code source et un matériau de construction.
Il y a quatre « lettres », ou bases, dans le code génétique de l’ADN, qui s’associent de manière prévisible dans nos cellules pour former les échelons de l’échelle de l’ADN. Ce sont ces propriétés strictes d’appariement de bases de l’ADN – A avec T et C avec G – que les chercheurs ont cooptées. En concevant des brins d’ADN avec des séquences spécifiques, ils peuvent « programmer » les brins pour qu’ils se reconstituent en différentes formes.
La méthode consiste à replier un ou quelques longs morceaux d’ADN simple brin, de milliers de bases de long, à l’aide de quelques centaines de courts brins d’ADN qui se lient à des séquences complémentaires sur les longs brins et les « agrafent » en place.
Les chercheurs expérimentent l’ADN comme matériau de construction depuis les années 1980. Les premières formes 3D étaient de simples cubes, des pyramides, des ballons de football, des formes géométriques avec des surfaces grossières et en blocs. Mais concevoir des structures avec des surfaces courbes plus proches de celles trouvées dans la nature a été délicat. L’objectif de l’équipe est d’élargir la gamme de formes possibles avec cette méthode.
Pour ce faire, Fu a développé un logiciel appelé DNAxiS. Le logiciel s’appuie sur un moyen de construire avec l’ADN décrit en 2011 par Yan, qui était postdoctorant avec Reif à Duke il y a 20 ans avant de rejoindre la faculté de l’Arizona State. Cela fonctionne en enroulant une longue double hélice d’ADN en anneaux concentriques qui s’empilent les uns sur les autres pour former les contours de l’objet, comme utiliser des bobines d’argile pour faire un pot. Pour rendre les structures plus solides, l’équipe a également permis de les renforcer avec des couches supplémentaires pour une stabilité accrue.
Fu montre la variété des formes qu’ils peuvent prendre : cônes, courges, feuilles de trèfle. DNAxiS est le premier outil logiciel qui permet aux utilisateurs de concevoir automatiquement de telles formes, en utilisant des algorithmes pour déterminer où placer les courtes « agrafes » d’ADN pour joindre les anneaux d’ADN plus longs et maintenir la forme en place.
« S’il y en a trop peu ou s’ils sont dans la mauvaise position, la structure ne se formera pas correctement », a déclaré Fu. « Avant notre logiciel, la courbure des formes en faisait un problème particulièrement difficile. »
Étant donné un modèle en forme de champignon, par exemple, l’ordinateur crache une liste de brins d’ADN qui s’auto-assembleraient dans la bonne configuration. Une fois que les brins sont synthétisés et mélangés dans un tube à essai, le reste prend soin de lui-même : en chauffant et en refroidissant le mélange d’ADN, en aussi peu que 12 heures « il se replie comme par magie dans la nanostructure d’ADN », a déclaré Reif.
Les applications pratiques de leur logiciel de conception d’ADN en laboratoire ou en clinique pourraient encore prendre des années, ont déclaré les chercheurs. Mais « c’est un grand pas en avant en termes de conception automatisée de nouvelles structures tridimensionnelles », a déclaré Reif.
Plus d’information:
Daniel Fu et al, Conception automatisée d’origami d’ADN 3D avec courbure 2D non pixellisée, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.ade4455. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4455