Les scientifiques ont développé un nanomoteur basé sur l’ADN qui présente des mouvements pulsés. Reflétant la fonctionnalité d’un entraîneur de poignée, mais beaucoup plus petit, il utilise des ARN polymérases pour son action et est alimenté par des triphosphates de nucléotides, offrant un potentiel dans les applications nanotechnologiques avancées.
Une équipe internationale de scientifiques a récemment développé un nouveau type de nanomoteur composé de ADN. Il est animé par un mécanisme astucieux et peut effectuer des mouvements pulsés. Les chercheurs envisagent désormais de l’équiper d’un couplage et de l’installer comme moteur dans des nanomachines complexes. Leurs résultats ont été publiés le 19 octobre dans la revue Nature Nanotechnologie.
Efforts de collaboration et outils utilisés
Petr Šulc, professeur adjoint à l’École des sciences moléculaires de l’Arizona State University et au Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, a collaboré avec le professeur Famulok (chef de projet) de l’Université de Bonn, en Allemagne, et le professeur Walter de l’Université du Michigan sur ce sujet. projet.
Šulc a utilisé les outils de modélisation informatique de son groupe pour mieux comprendre la conception et le fonctionnement de ce nanomoteur à ressorts à lames. La structure est composée de près de 14 000 nucléotides, qui forment les unités structurelles de base de l’ADN.
« Il serait impossible de simuler le mouvement dans une nanostructure aussi grande sans oxDNA, le modèle informatique que notre groupe utilise pour la conception et la conception de nanostructures d’ADN », explique Šulc. « C’est la première fois qu’un moteur nanotechnologique à ADN alimenté chimiquement est conçu avec succès. Nous sommes très heureux que nos méthodes de recherche puissent aider à l’étudier et nous sommes impatients de construire des nanodispositifs encore plus complexes à l’avenir.
Comparaison fonctionnelle et mécanisme
Ce nouveau type de moteur est similaire à un entraîneur de force de préhension 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.
Une conception schématique du fonctionnement du moteur à ressort à lames. Crédit : Université d’État de l’Arizona
Dans un entraîneur de force de préhension, 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. »
Les chercheurs ont réutilisé un mécanisme sans lequel il n’y aurait ni plantes ni animaux sur Terre. Chaque cellule est équipée d’une sorte de bibliothèque. Il contient les plans de tous les types de protéines dont chaque cellule a besoin pour remplir sa fonction. Si la cellule souhaite produire un certain type de protéine, elle commande une copie du modèle correspondant. Cette transcription est produite par les enzymes appelées ARN polymérases.
Les ARN polymérases conduisent les mouvements pulsés
Le plan original est constitué de longs brins d’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 tire le long du brin et la section 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.
Nano-moteur à ressort à lames simulé dans le modèle oxDNA. Crédit : Université d’État de l’Arizona
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 alors. «De cette manière, 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.
Source d’énergie et perspectives d’avenir
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. »
Petr Šulc est professeur adjoint à la School of Molecular Sciences de l’Arizona State University et au Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Crédit : Mary Zhu
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. »
Le laboratoire de Šulc et ses réalisations :
Le laboratoire de Šulc est hautement interdisciplinaire et applique largement les méthodes de physique statistique et de modélisation informatique à des problèmes de chimie, de biologie et de nanotechnologie. Le groupe développe de nouveaux modèles multi-échelles pour étudier les interactions entre biomolécules, notamment dans le cadre de la conception et des simulations de nanostructures et dispositifs d’ADN et d’ARN.
« Tout comme les machines complexes que nous utilisons quotidiennement – les avions, les voitures et les puces électroniques – nécessitent des outils de conception assistée par ordinateur sophistiqués pour garantir qu’elles remplissent une fonction souhaitée, il existe un besoin urgent d’avoir accès à de telles méthodes dans les sciences moléculaires. .»
Le professeur Tijana Rajh, directeur de l’École des sciences moléculaires, a déclaré : « Petr Šulc et son groupe réalisent des sciences moléculaires extrêmement innovantes, en utilisant les méthodes de chimie et de physique computationnelles pour étudier les molécules d’ADN et d’ARN dans le contexte de la biologie ainsi que de la nanotechnologie. . Les jeunes professeurs de l’École des sciences moléculaires ont un palmarès extraordinaire et le professeur Šulc est un exemple à cet égard.
Bio-Nanotechnologie
L’ADN et l’ARN sont les molécules de base de la vie. Ils remplissent de nombreuses fonctions, notamment le stockage et le transfert d’informations dans les cellules vivantes. Ils ont également des applications prometteuses dans le domaine de la nanotechnologie, où des brins d’ADN et d’ARN conçus sont utilisés pour assembler à l’échelle nanométrique structures et dispositifs. Comme l’explique Šulc : « C’est un peu comme jouer avec des blocs Lego, sauf que chaque bloc Lego ne mesure que quelques nanomètres (un millionième de millimètre) et qu’au lieu de placer chaque bloc à l’endroit où il devrait aller, vous mettez-les dans une boîte et secouez-la au hasard jusqu’à ce que seule la structure souhaitée en ressorte.
« Les applications prometteuses de ce domaine incluent le diagnostic, la thérapeutique, la robotique moléculaire et la construction de nouveaux matériaux », explique Šulc. « Mon laboratoire a développé le logiciel permettant de concevoir ces blocs, et nous travaillons en étroite collaboration avec des groupes expérimentaux de l’ASU ainsi que d’autres universités aux États-Unis et en Europe. Il est passionnant de voir nos méthodes utilisées pour concevoir et caractériser des nanostructures de complexité croissante, à mesure que le domaine progresse et que nous réalisons de nouvelles conceptions avancées et les exploitons avec succès à l’échelle nanométrique.
Cette recherche a été financée par la subvention ERC n° 101040035.
