Un coffre-fort construit à partir de l'ADN

En utilisant uniquement de l'ADN, des chercheurs au Danemark ont ​​construit une petite boîte avec un couvercle qui peut soit se fermer, soit s'ouvrir à l'aide d'un jeu de clés ADN. Alors que d'autres groupes ont expérimenté l'utilisation de l'origami ADN pour construire des objets en trois dimensions, la nouvelle boîte, décrite dans l'édition de cette semaine de La nature , se distingue par ses flancs pleins et ses pièces mobiles.

Morceaux de sucre désoxyribose : Parce que les régions complémentaires de l'ADN aiment s'apparier, les chercheurs ont pu concevoir un long brin d'ADN qui, combiné à de nombreuses minuscules agrafes d'ADN, s'assemblerait automatiquement dans une boîte de taille nanométrique. Cette technique est connue sous le nom d'origami ADN. Ici, les boîtes ont été imagées à l'aide de la tomographie cryoélectronique pour confirmer leurs structures cubiques et leur intérieur creux.

C'est une structure moléculaire plutôt belle, dit John Reif , éminent professeur d'informatique à l'Université Duke, qui n'a pas participé à la recherche. C'est la première fois qu'une nanostructure comme celle-ci avait un couvercle programmable et contrôlable.

Pour l'instant, la boîte sert de preuve de principe selon laquelle l'origami d'ADN peut être adapté pour créer des structures tridimensionnelles élaborées, dit Jørgen Kjems , biologiste moléculaire au Centre universitaire d'Aarhus pour la nanotechnologie de l'ADN, qui a dirigé la recherche. Mais à l'avenir, il pense que le conteneur de taille nanométrique pourrait être adapté à un large éventail d'applications, du véhicule de distribution de médicaments à la porte logique.

L'ADN est un matériau de construction idéal pour les nanostructures. Il est facile de produire en masse : Kjems et son équipe ont détourné un virus pour fabriquer des copies de la séquence qu'ils ont conçue. Et il se plie de manière simple et prévisible selon sa séquence. Pour concevoir la boîte, l'équipe d'Aarhus a développé un programme informatique pour générer une séquence d'ADN monocaténaire continue qui, avec des fragments d'ADN plus petits qui agissent comme des agrafes, s'auto-assemblerait dans la forme souhaitée.

La séquence a été conçue avec de nombreuses régions complémentaires afin qu'elle se plie automatiquement en six feuilles en forme d'accordéon à peu près carrées - les côtés de la boîte - en fonction de la tendance naturelle de l'ADN à s'apparier en double brin. Les agrafes d'ADN, également entraînées par l'appariement de séquences complémentaires, ont cousu les bords des feuilles pour former un cube creux avec un couvercle à charnière.

Pour rendre le couvercle verrouillable, Kjems et ses collègues ont fabriqué deux minuscules loquets à ADN avec des extrémités collantes. Dans des circonstances normales, les loquets adhèrent à la boîte, la maintenant fermée. Mais lorsque les deux clés ADN correspondantes sont ajoutées, les loquets se lient à celles-ci à la place, permettant au couvercle de s'ouvrir. Une paire de molécules de colorant, l'une fixée au bord de la boîte et l'autre à son couvercle, brillent en rouge lorsqu'elles sont rapprochées et en vert lorsqu'elles sont éloignées, ce qui permet de détecter facilement si une boîte est fermée ou ouverte.

Sortez des sentiers battus : Les nanoboîtes, modélisées ici en gris, pourraient un jour transporter des médicaments vers des destinations spécifiques dans le corps ou servir de portes logiques dans un ordinateur basé sur l'ADN. Le couvercle de chaque boîte est normalement verrouillé avec deux paires d'extraits d'ADN complémentaires (bleu et orange). Mais lorsque les clés ADN correspondantes (également bleues et orange) sont ajoutées au mélange, elles interfèrent avec les loquets et permettent aux couvercles de s'ouvrir. Les marqueurs à colorant fluorescent brillent en rouge lorsqu'une boîte est fermée et en vert lorsqu'elle est ouverte.

Avec des structures tridimensionnelles comme celle-ci, le vrai défi n'est pas de concevoir l'objet mais de prouver qu'il s'est formé avec succès, dit Paul Rothemond , un informaticien du California Institute of Technology, qui a développé une technique simple pour fabriquer des structures d'ADN. Les chercheurs ont utilisé plusieurs méthodes d'imagerie différentes pour s'assurer que les boîtes se sont assemblées comme prévu. Ils ont fait un travail très convaincant en montrant qu'ils faisaient ce qu'ils pensaient faire, ce qui est vraiment important, dit Rothemund. Et maintenant, ils sont libres d'essayer de l'élaborer et de lui faire faire quelque chose.

Kjems a plusieurs idées sur ce que les boîtes pourraient faire. Une possibilité consiste à les charger de médicaments et à programmer les couvercles pour qu'ils s'ouvrent en réponse à un indice biologique à l'intérieur du corps - la présence d'un virus ou d'un gène du cancer, par exemple - libérant ainsi leur cargaison thérapeutique.

Ils sont plus intéressants que presque tous les autres schémas de nano-encapsulation auxquels vous pouvez penser à cette fin, car ils ont ces couvercles programmables à l'infini, explique Rothemund. C'est quelque chose qu'aucun autre type de capsule d'administration de nano-médicaments ne peut offrir.

Cependant, les usages thérapeutiques sont encore loin. Alors que les boîtes sont théoriquement suffisamment solides pour empêcher les grosses molécules de s'échapper et suffisamment spacieuses pour contenir un ribosome ou un petit virus, les chercheurs n'ont pas encore essayé d'y mettre quoi que ce soit. Et jusqu'à présent, les boîtes ne fonctionnent qu'à l'intérieur d'un tube à essai. Contrairement à d'autres nano-véhicules de livraison, il n'y a encore aucune preuve de la sécurité ou de l'efficacité des dispositifs à base d'ADN dans les systèmes vivants.

Mais les coffres-forts n'ont pas besoin de transporter une charge utile pour s'avérer utiles. Kjems envisage également de les transformer en composants électroniques. Parce qu'elles ont deux clés distinctes, les boîtes agissent comme des portes ET, s'ouvrant (et s'illuminant en vert) uniquement lorsque les deux clés sont présentes. Avec quelques ajustements simples, ils pourraient également servir de portes NON ou OU. En principe, dit Kjems, vous pourriez construire un ordinateur ADN en utilisant ces boîtes.

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