Nanotechnologie à faire soi-même

Alors que les chercheurs ont déjà manipulé des atomes pour fabriquer des lettres suffisamment petites pour contenir tous les mots de l'Encyclopedia Britannica sur une tête d'épingle, et ont assemblé des ordinateurs et des machines moléculaires rudimentaires, ces prouesses restent des nouveautés dont la création dépend de méthodes difficiles et coûteuses.

À présent Paul Rothemond , un informaticien de Caltech, avec une formation en biologie, a développé un moyen relativement peu coûteux de concevoir et de construire rapidement des formes et des motifs arbitraires à l'aide de l'ADN - et, dit-il, il est assez simple à utiliser pour les étudiants du secondaire. Étant donné qu'une variété de molécules et de nanoparticules peuvent être liées à l'ADN, cette technique pourrait être un moyen de modéliser rapidement des composants aussi divers que des protéines et des nanotubes semi-conducteurs, conduisant éventuellement à de minuscules dispositifs électroniques ou dispositifs pour étudier les cellules à un niveau de détail sans précédent.

[Cliquez ici pour des images de certaines de ces formes d'ADN auto-assemblées.]

C'est vraiment un travail spectaculaire. Je suis extrêmement excité à ce sujet, dit William Shih , professeur de chimie biologique et de pharmacologie moléculaire à la Harvard Medical School, qui travaille maintenant à étendre la technique de Rothemund à la construction de structures tridimensionnelles. Le travail de Rothemund, dit-il, a pris le petit domaine de la nanotechnologie de l'ADN et l'a ouvert pour devenir un outil grand public en le rendant un ou deux ordres de grandeur moins cher et plus facile à faire.

Nadrian Seeman , le chimiste de l'Université de New York qui a été le pionnier de l'utilisation de l'ADN pour construire des formes complexes, déclare : En augmentant l'échelle, il est capable de produire des modèles plus complexes et plus grands que ce qui était pratique avec les approches précédentes. Il s'agit d'une avancée passionnante qui est susceptible de révolutionner la formation de motifs à cette échelle.

Dans la méthode de Rothemund, un long brin d'ADN serpente d'avant en arrière jusqu'à ce qu'il prenne la forme souhaitée. La clé pour que l'ADN se forme de cette façon et pour le maintenir en place, ce sont de courtes agrafes d'ADN avec des séquences choisies pour s'attacher à des parties spécifiques du long brin. Rothemund divise le long brin en sections; alors une agrafe pourrait s'attacher aux sections 86 et 112, par exemple, les rapprochant et provoquant le pliage du long brin. Quelques centaines d'agrafes uniques peuvent plier l'ADN dans la bonne forme.

Un programme informatique se charge d'identifier les séquences que doivent avoir les agrafes. Je conçois [la structure] que je veux sur l'ordinateur, dit Rothemund. Il crache un ensemble de 250 séquences d'ADN. je les commande; ils arrivent par la poste dans un tas de petits tubes. Je les mélange ensemble [avec le long brin d'ADN], j'ajoute du sel, je le chauffe jusqu'à ébullition et je le refroidis à environ la température ambiante, puis c'est fait. Une fois mélangés, les brins d'ADN s'assemblent dans la structure souhaitée.

De telles méthodes d'auto-assemblage peuvent être utilisées pour créer n'importe quelle forme ou motif mesurant 100 nanomètres de diamètre ou moins, et avec des caractéristiques distantes d'environ 6 nanomètres. En comparaison, un globule rouge mesure environ 7 000 nanomètres de diamètre. Un article décrivant le travail de Rothemund paru aujourd'hui dans la revue La nature démontre la polyvalence de la technique avec des images de visages souriants, de carrés, de triangles et d'étoiles (cliquez ici). Mais Rothemund peut également créer des motifs complexes sur ces formes - par exemple, il a dessiné une carte à l'échelle 1:200 milliards de l'hémisphère occidental qui pourrait tenir à l'intérieur d'une cellule.

La conception de chaque structure a pris environ une semaine, selon Rothemund. Après cela, des milliers de milliards de copies s'auto-assemblent en quelques heures - cette vitesse de production est l'une des qualités qui rendent l'auto-assemblage si attrayant.

À l'heure actuelle, cependant, la technique est une solution à la recherche du problème. Mais Rothemund et d'autres, comme Shih, s'attendent à ce que des applications pratiques soient bientôt disponibles, à mesure que les chercheurs apprendront à quel point la technique est facile et trouvent des moyens de l'appliquer à des problèmes spécifiques. Une possibilité consiste à modéliser des dispositifs électroniques à une échelle plus petite que ce qui est possible en utilisant les méthodes de lithographie optique d'aujourd'hui. Thomas LaBean , un chimiste et informaticien à l'Université Duke, qui a développé une autre technique d'auto-assemblage d'ADN à usage général qui est un peu plus difficile et a une résolution inférieure à celle de Rothemund, développe des transistors à électron unique modelés avec de l'ADN qui pourraient servir de composants pour un tel appareil.

Cependant, il reste des défis importants avant que des appareils fonctionnels utilisant cette méthode n'apparaissent. Avec l'auto-assemblage, il y a un taux d'erreur inhérent, dit Shih de Harvard. Contrairement aux ordinateurs d'aujourd'hui, par exemple, les ordinateurs auto-assemblés devront détecter et contourner les composants qui ne fonctionnent pas. En outre, de nombreuses applications nécessiteront des modèles plus grands que ceux réalisés par Rothemund jusqu'à présent. Une solution potentielle à ce problème, que Rothemund a déjà essayée avec un succès limité, consiste à combiner des formes plus petites à l'aide de brins d'ADN, tout comme les cellules se réunissent pour construire un organisme, explique-t-il.

De plus, bien que la nouvelle technique soit abordable pour les laboratoires, elle n'est pas encore assez bon marché pour fabriquer des matériaux en vrac. L'auto-assemblage déjà démontré, cependant, pourrait être pratique pour construire des nanoréseaux capables de mesurer le contenu précis de cellules individuelles, dit Shih, permettant aux biologistes de mieux apprendre les rôles joués par les cellules individuelles, par exemple, celles du système nerveux.

En fait, la meilleure application n'a peut-être pas encore été pensée. Je ne me sens pas découragé que nous n'ayons pas encore trouvé les applications super tueuses pour cela, dit Shih. Être capable d'assembler des milliards de dispositifs moléculairement précis est quelque chose que nous n'avons tout simplement pas été en mesure de faire. Et maintenant, tout à coup, nous avons cette méthode où nous pouvons le faire, pour un prix abordable. Ce que seront ces gains n'est pas évident, mais nous avons tous l'impression qu'ils sont là.

Lloyd Smith , chimiste de l'Université du Wisconsin, Madison, et auteur d'un commentaire sur les travaux de La nature , a écrit, Nous sommes maintenant peut-être plus limités par notre imagination que par nos capacités.

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