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Sciences de la vie
Origami d'ADN et nano-échafaudages

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/62521.htm

Au cours d'une conférence donnée à l'Institut Californien pour les Nanosystèmes (California NanoSystems Institute - CNSI) à l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA), le professeur Paul Rothemund de l'Institut de Technologie de Californie (California Institute of Technology - Caltech) a présenté l'avancée de ses travaux en matière d'origami d'ADN. Cette technique de pliage d'un brin d'ADN en une forme bidimensionnelle donnée a été mise au point en 2006 [1] par le Pr. Rothemund (voir BE Etats-Unis 28, "Pliage et auto-assemblage de l'ADN pour créer des nanostructures" [2]). La technique se base sur l'utilisation d'un long brin d'ADN dont la séquence est connue et d'une multiplicité de brins courts et généralement synthétiques, appelés "agrafes", choisis afin que leur séquence soit complémentaire de celles de plusieurs zones non adjacentes situées sur le long brin. En s'hybridant spécifiquement au niveau de ces zones, les agrafes pincent le long brin, le plient et le maintiennent en place. La généralisation de ce principe et le choix des "agrafes", assisté par des simulations informatiques, permettent d'obtenir des motifs complexes tels qu'une carte des Etats-Unis, de Chine ou des "smileys" et ce à une échelle de la centaine de nanomètres.

Le domaine d'application développé par le Pr. Rothemund sur les bases de cette découverte est la programmation moléculaire. Contrairement au domaine phare de la biologie synthétique, qui cherche à "reprogrammer" des organismes vivants (cellules et bactéries, principalement) afin de les transformer en "bio-usines" pour le traitement de déchets ou la production de molécules biologiques complexes, la programmation moléculaire place les molécules au coeur du dispositif en utilisant les transformations biologiques complexes auxquelles ces molécules sont assujetties afin, par exemple, de mimer les processus électroniques qui ont lieu dans les processeurs informatiques, de mettre au point des moteurs moléculaires ou des "nanoboîtes" permettant d'encapsuler des molécules pharmaceutiques [3]. Les différentes études en cours cherchent à mettre au point des composants nanométriques à base d'ADN replié, qui seront ensuite combinés entre eux pour former des structures plus complexes, bi- ou tridimensionnelles.

Le domaine actuellement exploré par le Pr. Rothemund concerne l'utilisation de ces structures d'ADN comme échafaudage pour la conception et l'intégration de nano systèmes. Son objectif est à terme de pouvoir proposer des substrats couverts de nanostructures d'ADN et d'utiliser la spécificité des interactions entre bases pour déposer des nanotubes de carbone sur ces substrats. Les nanotubes seraient guidés avec une grande précision vers leur position finale par des brins d'ADN fixés à leur surface, grâce la complémentarité entre la séquence de ces brins "guides" et celle du substrat d'ADN à la localisation choisie. Les techniques actuelles de nanolithographie permettent d'atteindre des échelles comparables à celles des nanostructures développées par le Pr. Rothemund. Il serait donc actuellement possible de traiter un substrat afin de former une grille de nanostructures d'ADN telles que des triangles. L'objectif consiste par la suite à créer des nanocircuits sur chaque point de la grille (c'est-à-dire chaque nanostructure d'ADN) puis de relier ces nanocircuits entre eux.

Les études actuelles visent à optimiser les performances de ce nouveau matériau qui souffre encore de certains défauts tels que l'inhomogénéité de la production des nanostructures ou les interactions non souhaitées auxquelles elles sont sujettes. Dans ce dernier domaine, il est désormais connu que les interactions entre nanostructures d'ADN replié sont dues au "stacking" (empilement) des bases, qui est une interaction forte en partie responsable du repliement de l'ADN en double hélice en temps normal. Il est possible de moduler cette interaction en optimisant le repliement de l'ADN de façon à ce que les arêtes de la nanostructure présentent un "code" favorisant ou non les interactions avec les autres nanostructures. Ceci permet la production de longues chaînes de nanostructures (dont les maillons sont constitués de briques d'ADN présentant une haute affinité les unes pour les autres) ou de rouages nanométriques.

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- [1] Article complet, publié en 2006 par le Pr. Rothemund dans la revue Nature (en Anglais) : http://www.dna.caltech.edu/Papers/DNAorigami-nature.pdf
- [2] "Pliage et auto-assemblage de l'ADN pour créer des nanostructures", BE Etats-Unis 28, 30/03/2006 : http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/32832.htm
- Site illustré du Pr. Rothemund (en Anglais) : http://www.dna.caltech.edu/~pwkr/
- [3] Divers laboratoires de recherche en programmation moléculaire (en Anglais) :
Ned Seeman : http://seemanlab4.chem.nyu.edu/
Bernard Yurke : http://coen.boisestate.edu/departments/faculty_research.asp?ID=134
William Shih : http://research4.dfci.harvard.edu/shih/SHIH_LAB/Home.html

Code brève
ADIT : 62521

Beyond Watson and Crick : programing DNA self-assembly towards integration with nanoelectronics, Paul Rothemund, conférence du 2 mars 2010 au CNSI

Thomas Biedermann, deputy-sdv.mst@consulfrance-losangeles.org

BE Etats-Unis numéro 198 (5/03/2010) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/62521.htm