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Sciences physiques et nanotechnologies
L'ADN, un des matériaux de base de la révolution nanotechnologique

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66823.htm

Dans son témoignage devant la commission parlementaire pour la science le 14 avril dernier, James Tour, professeur à la Rice University de Houston, insistait sur le changement de paradigme que les nanotechnologies peuvent entrainer dans la fabrication des produits [1]. Maitriser la matière à l'échelle des molécules permet en effet d'envisager des processus de fabrication bottom-up, dans lesquels les matériaux s'auto-assemblent de manière déterminée afin de produire des objets aux fonctionnalités ciblées. Cette vision est soutenue par le fait que les organismes vivants sont la preuve que de tels processus de fabrication auto-organisée sont possibles. Reste maintenant à les maitriser.

Les chercheurs s'intéressent ainsi de près à la molécule qui commande cet auto-assemblage naturel : l'ADN. Des milliards d'années d'évolution ont permis d'améliorer cette molécule pour lui apporter des avantages qui en font un matériau extrêmement intéressant dans la quête de la création de nano-objets auto-assemblés. Par leur nature, des objets à base d'ADN sont par exemple biocompatibles, un net avantage sur leurs concurrents synthétiques. Ils sont aussi facilement manipulables. Ils permettent d'envisager des interactions avec la machinerie cellulaire et donc des applications biomédicales.

Depuis que Paul Rothemund de Caltech a inauguré en 2006 le domaine de "l'origami d'ADN" en prouvant que l'on peut manipuler des brins d'ADN afin de produire des nano-objets en deux dimensions, les travaux se sont multipliés [2-4]. Retour sur les dernières réalisations aux Etats-Unis.

De la 2D à la 3D

La découverte a fait la une du magazine Science le 14 avril dernier. Une équipe de chercheurs de l'Arizona State University (ASU) est parvenue à produire des nano-objets complexes en trois dimensions formés de brin d'ADN [5]. L'origami d'ADN a alors atteint un niveau de complexité inégalé. Ces exploits ont été possibles suite à des efforts intenses pour arriver à courber la molécule d'ADN avec des angles donnés.

La technique se base sur le fait que la molécule d'ADN est composée de deux brins complémentaires. Les quatre bases azotées qui s'enchainent sur le brin se conjuguent deux à deux. Pour obtenir les formes voulues, il faut composer différents brins avec des séquences de bases déterminées. Un long brin va servir de support à la forme pendant que d'autres brins plus courts - appelés brins agrafes - vont venir compléter le brin principal et lui imposer des connexions ou des courbatures qui seront à l'origine de la forme finale. Il s'agit donc de définir avec précisions tous les blocs de ce jeu de légo puis de bénéficier du fait que les brins s'auto-assemblent entre eux en fonction de leur complémentarité.

Le passage de la 2D à la 3D n'était pas évident. Les deux brins complémentaires d'ADN s'enroulent l'un autour de l'autre pour prendre une forme de double hélice. Les bases azotées se liant deux à deux viennent former les barreaux sur cette double hélice. Et il se trouve que l'espacement entre ces barreaux est très bien calibré : 10,5 couples de bases par tour d'hélice. Or, pour former des objets en trois dimensions, il faut jouer en partie sur cet écartement en imposant des variations de 9 à 12 couples de bases par tour. C'est sur ce point que l'équipe d'ASU a porté ses efforts afin de créer différentes formes : coupoles, sphères, ellipsoïdes. Les chercheurs sont mêmes allés jusqu'à produire un objet en forme de bouteille pour démontrer la robustesse de leur approche et ses capacités. Une vidéo produite par l'équipe illustre leur approche [6].

Les besoins en simulation

Pour pouvoir réaliser des formes déterminées, il faut être capable de concevoir avec précisions les briques élémentaires de ce légo, notamment les brins agrafes, pour parvenir aux différents effets de courbure ou de liaison. Comme il existe une infinité de possibilités pour produire des brins, seule l'aide des logiciels de simulation peuvent permettre d'obtenir rapidement des résultats fiables. L'équipe d'ASU travaille donc sur la production de tels logiciels permettant d'assister les chercheurs dans la création des différents brins. Mais ils ne sont pas les seuls.

Une équipe du Massachussetts Institute of Technology (MIT) a mis au point un tel logiciel. Celui-ci permet de déterminer dans les grandes lignes la forme qui sera obtenue à partir d'un mélange donné de brins d'ADN. Le logiciel apporte aussi aux chercheurs des données sur la flexibilité de la forme obtenue ainsi que sur sa stabilité. Mais l'objectif de l'équipe est de parvenir un jour à proposer un logiciel résolvant le problème inverse. A partir d'une structure donnée en trois dimensions, le programme fournirait alors le mélange et la composition des brins d'ADN nécessaire à sa réalisation. Leurs travaux ont été publiés en février dernier dans la revue Nature Methods [7].

Si un tel logiciel existait, il permettrait à des chercheurs non-initiés à l'origami d'ADN de produire des structures données et de se concentrer sur les applications. Parmi celles-ci, l'énergétique au travers de la production d'une machinerie moléculaire capable de reproduire les différentes étapes de la photosynthèse est évoquée. Mais se sont les applications médicales qui apparaissent pour le moment comme plus évidentes.

Les applications médicales de l'origami d'ADN

Une fois les nano-objets à base d'ADN produits, ces derniers peuvent être utilisés pour transporter des médicaments directement au coeur des cellules. Une équipe de la Cornell University a présenté récemment un tel processus [8]. Les échafaudages construits à base d'ADN par les chercheurs peuvent supporter simultanément le transport de différentes molécules chimiques, un avantage par rapport aux autres vecteurs synthétiques utilisés : les nanoparticules synthétiques à base de polymères ou les liposomes à base de lipides.

Dans la technique de cette équipe, trois brins d'ADN sont associés pour former une structure de base en forme de "Y" à laquelle les molécules médicaments de différentes natures vont être accrochées. Une fois en solution, ces briques élémentaires s'associent pour former une sphère ayant un diamètre de quelques centaines de nanomètres à quelques microns. Cette taille et le fait que ces particules sont constituées de matériaux reconnus par les cellules permet leur assimilation rapide. Ces nouveaux vecteurs à base de brins d'ADN ont été baptisés "DNAsomes" par les chercheurs.

Ces travaux démontrent ainsi que les nano-objets issus de l'origami d'ADN sont des candidats aux fortes potentialités dans le transport vers des cellules cibles de médicaments ou d'agents de contraste permettant l'imagerie médicale de précision. Les méthodes de production de ces nano-objets d'ADN ouvrent donc d'importants débouchés dans le traitement d'un large éventail de maladies.

Un processus de fabrication de nanotubes d'ADN breveté

Un brevet validé le 19 avril dernier vient témoigner de l'intérêt commercial de ces techniques d'origami d'ADN [9]. Une équipe de l'Université de Floride a ainsi déposé sa méthode de fabrication de nanotubes d'ADN ainsi que quelques uns de leurs designs. La facilité avec laquelle les nano-objets à base d'ADN peuvent être modulés pour interagir avec différents système attise les convoitises. Il y a fort à parier sur le fait que le développement de l'origami d'ADN conduira dans les prochaines années à de nombreuses applications en médecine, énergétique ou encore électronique.

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- [1] Le National Nanotechnology Initiative auditionné par la Chambre des Représentants, BE Etats-Unis 245, V. Reillon, 02/05/2011 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66560.htm
- [2] Pliage et auto-assemblage de l'ADN pour créer des nanostructures, BE Etats-Unis 28, R. Delville, 30/03/2006 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/32832.htm
- [3] Folding DNA to create nanoscale shapes and pattern, Nature, Vol 440, P. Rothemund, 16/03/2006, |doi:10.1038/nature0458 - http://www.dna.caltech.edu/Papers/DNAorigami-nature.pdf
- [4] Origami d'ADN et nano-échafaudages, BE Etats-Unis 198, T. Biedermann, 05/03/2010 - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/62521.htm
- [5] DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space, D. Han et al., Science,
Vol. 332 no. 6027 pp. 342-346, DOI: 10.1126/science.1202998, 15/04/2011 - http://www.sciencemag.org/content/332/6027/342.abstract
- [6] Vidéo sur la fabrication des nano-objets en 3D : http://asunews.asu.edu/20110414_video_nanospheres
- [7] A primer to scaffolded DNA origami, C. Castro et al., Nature Methods 8, 221-229, doi:10.1038/nmeth.1570, 25/02/2011 - http://www.nature.com/nmeth/journal/v8/n3/full/nmeth.1570.html
- [8] DNAsomes: Multifunctional DNA-Based Nanocarriers, Y. Roh et al., Small, Volume 7, Issue 1, pages 74-78, DOI: 10.1002/smll.201000752, 03/01/2011 - http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201000752/abstract
- [9] Le Patent 7 928 208 - http://redirectix.bulletins-electroniques.com/YBwDl

Code brève
ADIT : 66823

- New DNA nanoforms take shape, ASU News, R. Harth, 13/04/2011 - http://asunews.asu.edu/20110414_nanoforms
- Origami: Not just for paper anymore, MIT News Office, A. Trafton, 27/04/2011 - http://web.mit.edu/newsoffice/2011/dna-origami-0427.html
- 'DNAsomes' can deliver multiple drugs or genetic therapy, Cornell University News, B. Steele, 21/04/2011 - http://www.news.cornell.edu/stories/April11/DNAsomes.html
- New patent: Template-synthesized DNA nanotubes, Nanowerk News, 06/05/2011 - http://www.nanowerk.com/news/newsid=21255.php

Vincent Reillon, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org

BE Etats-Unis numéro 247 (20/05/2011) - Ambassade de France aux Etats-Unis / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/66823.htm