Le nouveau type de nanomoteur doté d’une ARN polymérase, qui rapproche les deux « poignées » puis les relâche. Cela génère un mouvement pulsé. Crédit : Mathias Centola/Université de Bonn
Cette machine développée à l’Université de Bonn ne mesure qu’un dix millième de millimètre.
Une équipe internationale de scientifiques dirigée par l’Université de Bonn a développé un nouveau type de nanomoteur. Il est animé par un mécanisme astucieux et peut effectuer des mouvements pulsés. Les chercheurs envisagent désormais de l’équiper d’un accouplement et de l’installer comme entraînement dans des machines complexes. Leurs découvertes ont maintenant été publiées dans la revue Nature Nanotechnologie.
Fonction motrice et analogie
Ce nouveau type de moteur est similaire à un entraîneur de poignée qui renforce votre adhérence lorsqu’il est utilisé régulièrement. Cependant, le moteur est environ un million de fois plus petit. Deux poignées sont reliées par un ressort dans une structure en forme de V.
Dans un entraîneur de poignées, vous serrez les poignées ensemble contre la résistance du ressort. Une fois que vous relâchez votre prise, le ressort repousse les poignées dans leur position d’origine. «Notre moteur utilise un principe très similaire», explique le professeur Michael Famulok de l’Institut des sciences de la vie et des sciences médicales (LIMES) de l’Université de Bonn. « Mais les poignées ne sont pas pressées l’une contre l’autre mais plutôt rapprochées. »
À cette fin, les chercheurs ont réutilisé un mécanisme sans lequel il n’y aurait ni plantes ni animaux. Chaque cellule est équipée d’une sorte de bibliothèque. Il contient les plans de tous les types de protéines dont la cellule a besoin pour remplir sa fonction. Si la cellule souhaite produire un certain type de protéine, elle commande une copie du plan correspondant. Cette transcription est réalisée par ARN polymérases.
Le nouveau type de nanomoteur doté d’une ARN polymérase, qui rapproche les deux « poignées » puis les relâche. Cela génère un mouvement pulsé. Crédit : Mathias Centola/Université de Bonn
Les ARN polymérases conduisent les mouvements pulsés
Le plan original se compose de longs brins de ADN. Les ARN polymérases se déplacent le long de ces brins et copient lettre par lettre les informations stockées. « Nous avons pris une ARN polymérase et l’avons fixée à l’une des poignées de notre nanomachine », explique Famulok, qui est également membre des domaines de recherche transdisciplinaires « Vie & Santé » et « Matière » de l’Université de Bonn. « À proximité immédiate, nous avons également tendu un brin d’ADN entre les deux poignées. La polymérase s’accroche à ce brin pour le copier. Il se traîne le long du support et la partie non transcrite devient de plus en plus petite. Cela tire petit à petit la deuxième poignée vers la première, comprimant en même temps le ressort.
Cycle de fonctionnement du moteur
Le brin d’ADN entre les poignées contient une séquence particulière de lettres peu avant sa fin. Cette séquence dite de terminaison signale à la polymérase qu’elle doit lâcher l’ADN. Le ressort peut maintenant se détendre à nouveau et écarter les poignées. Cela rapproche la séquence de départ du brin de la polymérase et le copieur moléculaire peut démarrer un nouveau processus de transcription : le cycle se répète ainsi. «De cette façon, notre nanomoteur effectue une action pulsée», explique Mathias Centola du groupe de recherche dirigé par le professeur Famulok, qui a réalisé une grande partie des expériences.
Une soupe à l’alphabet sert de carburant
Ce moteur a également besoin d’énergie, comme tout autre type de moteur. Elle est apportée par la « soupe à l’alphabet » à partir de laquelle la polymérase produit les transcrits. Chacune de ces lettres (dans la terminologie technique : nucléotides) possède une petite queue composée de trois groupes phosphate – un triphosphate. Afin d’attacher une nouvelle lettre à une phrase existante, la polymérase doit supprimer deux de ces groupes phosphate. Cela libère de l’énergie qu’il peut utiliser pour relier les lettres entre elles. «Notre moteur utilise ainsi des nucléotides triphosphates comme carburant», explique Famulok. « Il ne pourra continuer à fonctionner que lorsqu’un nombre suffisant d’entre eux seront disponibles. »
En surveillant certains nanomoteurs, l’un des partenaires de coopération basé dans l’État américain du Michigan a pu démontrer qu’ils exécutent réellement le mouvement attendu. Un groupe de recherche en Arizona a également simulé le processus sur des ordinateurs à grande vitesse. Les résultats pourraient être utilisés, par exemple, pour optimiser le moteur afin qu’il fonctionne à un taux de pulsation particulier.
De plus, les chercheurs ont pu démontrer que le moteur peut être facilement combiné avec d’autres structures. Cela devrait lui permettre, par exemple, de se promener sur une surface – un peu comme un ver de terre qui se tire le long d’une branche selon son propre style caractéristique. « Nous prévoyons également de produire un type d’embrayage qui nous permettra d’utiliser la puissance du moteur uniquement à certains moments et de le laisser tourner au ralenti », explique Famulok. À terme, le moteur pourrait devenir le cœur d’une nanomachine complexe. « Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire avant d’atteindre ce stade. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir DNA Nano Engine : Le moteur révolutionnaire pour alimenter les nanomachines de demain.
Aux côtés de l’Université de Bonn, les autres participants au projet étaient l’Institut Max Planck de neurobiologie du comportement (Bonn), l’Institut Max Planck de biophysique (Fankfurt), l’Université du Michigan (États-Unis) et l’Université d’État de l’Arizona (États-Unis). . La recherche a été soutenue financièrement par la Fondation Alexander von Humboldt, la Société Max Planck, l’Université de Bonn, la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, le Conseil européen de la recherche (ERC) et les États-Unis. Instituts nationaux de la santé (NIH).
