Les chercheurs ont développé une nano-turbine en origami à ADN dotée d’une capacité unique à modifier sa rotation en fonction de la concentration en ions. Cette avancée recèle un potentiel pour l’administration future de médicaments au niveau cellulaire et met l’accent sur la promesse d’exploiter l’énergie des gradients de sel. Crédit : Cees Dekker Lab / SciXel
Les chercheurs ont introduit une avancée pionnière dans le monde des nanomoteurs : le ADN nanoturbine en origami. Ce à l’échelle nanométrique Le dispositif pourrait représenter un changement de paradigme, exploitant la puissance des gradients ioniques ou du potentiel électrique à travers un nanopore à l’état solide pour entraîner la turbine dans des rotations mécaniques. Le cœur de cette découverte pionnière est la conception, la construction et le mouvement entraîné d’une turbine « origami ADN », qui comporte trois pales chirales, toutes dans un minuscule cadre de 25 nanomètres, fonctionnant dans un nanopore à l’état solide. En concevant ingénieusement deux turbines chirales, les chercheurs ont désormais la possibilité de dicter le sens de rotation, dans le sens horaire ou antihoraire.
« Nous avons créé nos propres nanoturbines capables de piloter les processus souhaités. »
— Dr Xin Shi
Nanoturbines : au cœur des avancées
Les turbines à flux sont au cœur de nombreuses machines révolutionnaires qui ont façonné nos sociétés, des éoliennes aux avions. Même la vie elle-même dépend de manière cruciale des turbines pour des processus fondamentaux, tels que la synthase FoF1-ATP qui produit des carburants pour les cellules biologiques et le moteur des flagelles bactériens qui propulse les bactéries.
« Notre nanoturbine est dotée d’un rotor de 25 nanomètres de diamètre fabriqué à partir d’un matériau ADN avec des pales configurées dans le sens droitier ou gaucher pour contrôler le sens de rotation. Pour fonctionner, cette structure est amarrée à un fort débit d’eau, contrôlé par un champ électrique ou une différence de concentration en sel, provenant d’un nanopore, une minuscule ouverture, dans une fine membrane. Nous avons utilisé notre turbine pour entraîner une tige rigide jusqu’à 10 tours par seconde », explique Shi.
Les nanoturbines en origami à ADN, dont la rotation est influencée par la concentration ionique, ouvrent la voie à une administration avancée de médicaments et à l’exploitation de l’énergie à partir des gradients de sel. Crédit : Cees Dekker Lab / SciXel
Rotation unique de la nano-turbine DNA Origami
L’une des découvertes les plus intrigantes de cette recherche est la nature unique de la rotation de la nanoturbine de l’origami à ADN. Son comportement est influencé par la concentration en ions, permettant à la même turbine de tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse, en fonction de la concentration en ions Na+ dans la solution. Cette caractéristique unique, exclusive au domaine nanométrique, résulte de l’interaction complexe entre les ions, l’eau et l’ADN.
Ces découvertes, rigoureusement étayées par des simulations approfondies de dynamique moléculaire réalisées par le groupe d’Aleksei Aksimentiev de l’Université de l’Illinois et par la modélisation théorique de Ramin Golestanian au MPI Göttingen, promettent d’élargir les horizons de la nanotechnologie et offrent de nombreuses applications. Par exemple, à l’avenir, nous pourrons peut-être utiliser l’origami ADN pour fabriquer des nanomachines capables d’administrer des médicaments dans le corps humain, à des types spécifiques de cellules.
La technique de l’origami ADN
Cees Dekker, qui a supervisé la recherche, met en lumière leur méthodologie : « En collaboration avec nos collaborateurs du laboratoire Hendrik Dietz de l’Université technique de Munich, nous avons utilisé les enseignements de nos travaux antérieurs sur les moteurs rotatifs à ADN pour créer désormais une turbine avec un contrôle total sur sa conception et son fonctionnement ». La technique « DNA origami » utilise les interactions spécifiques entre des paires de bases d’ADN complémentaires pour construire des nano-objets 3D dynamiques. Cette conception permet de contrôler le sens de rotation de la turbine dans nos nanopores grâce à la manipulation des pales et permet une intégration simple de la turbine à d’autres nanomachines.
Evolution des nanomachines transmembranaires actives
Cette réalisation de recherche fait suite à l’introduction l’année dernière du nanorotor actif à ADN, un dispositif auto-configurable capable de transformer l’énergie des gradients électriques ou salins en travaux mécaniques pratiques. Lire la suite : Rotors à l’échelle nanométrique construits à partir d’ADN.
En réfléchissant à ce parcours remarquable, Xin Shi souligne l’importance de leurs progrès : « Nous avons dévoilé les principes fondamentaux derrière la propulsion d’un rotor à l’échelle nanométrique en utilisant de l’eau et du sel dans des nanopores. La percée de cette année, motivée par une conception rationnelle, marque la prochaine phase de notre parcours. Les principes fondamentaux de notre article précédent, combinés aux innovations de celui-ci, préparent le terrain pour l’avenir des machines transmembranaires biomimétiques, avec le potentiel d’exploiter l’énergie des gradients de sel, une source d’énergie vitale utilisée par les moteurs biologiques.
