Une équipe internationale de scientifiques a récemment développé un nouveau nanomoteur fabriqué à partir d'ADN. Il est alimenté par un mécanisme ingénieux qui permet un mouvement pulsé. Les chercheurs envisagent désormais de l'équiper d'un coupleur et de l'utiliser comme pilote pour des nanomachines complexes. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans la revue Nature Nanotechnology le 19 octobre.
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 au projet avec le professeur Famulok (chef de projet) de l'Université de Bonn, en Allemagne, et le professeur Walter de l'Université du Michigan.
Šulc a utilisé les outils de modélisation informatique de son groupe de recherche pour mieux comprendre la conception et le fonctionnement de ce nanomoteur à ressorts à lames. La structure se compose de près de 14 000 nucléotides, qui constituent les éléments de base de l’ADN.
Šulc explique : « Sans oxDNA, le modèle informatique utilisé par notre groupe pour concevoir des nanostructures d'ADN, il aurait été impossible de simuler le mouvement de nanostructures aussi grandes. C'est la première fois qu'un moteur nanotechnologique d'ADN à entraînement chimique est conçu avec succès. Nous sommes heureux que notre méthode de recherche ait contribué à son étude et sommes impatients de fabriquer des nanodispositifs plus complexes à l'avenir.
Ce nouveau moteur est similaire à un entraîneur de préhension et peut améliorer la force de préhension avec une utilisation régulière. Cependant, ce moteur est environ un million de fois plus petit. Les deux poignées sont reliées dans une structure en forme de V par des ressorts.
Dans un entraîneur de poignées, les poignées sont serrées ensemble sous la résistance d'un ressort. Une fois que vous lâchez prise, un ressort repousse la poignée en place. "Notre moteur utilise un principe très similaire", a déclaré 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 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 bibliothèque. Il contient les schémas des différents types de protéines dont chaque cellule a besoin pour remplir ses fonctions. Si une cellule veut produire un certain type de protéine, elle fait une copie du modèle correspondant. Ce transcrit est produit par une enzyme appelée ARN polymérase.
Le plan original est constitué de longs brins d’ADN. L'ARN polymérase se déplace le long de ces brins, copiant les informations stockées lettre par lettre. "Nous avons attaché l'ARN polymérase à une poignée de la nanomachine", explique Famulok, qui est également membre des domaines de recherche interdisciplinaires "Vie et santé" et "Matière" de l'Université de Bonn. "Entre les deux poignées, nous avons également un brin d'ADN étroitement connecté. La polymérase saisit ce brin et le copie. Elle se tire le long de la chaîne, et les parties qui ne sont pas copiées deviennent de plus en plus petites. Cela tire petit à petit la deuxième poignée vers la première poignée, comprimant en même temps le ressort."
Le brin d'ADN entre les poignées contient une séquence spéciale de lettres peu avant la fin. Cette séquence dite de terminaison signale à la polymérase de lâcher l'ADN. Le ressort peut maintenant se détendre à nouveau et séparer les poignées. De cette façon, la séquence de départ de la chaîne est proche de la polymérase, et le réplicateur moléculaire peut démarrer un nouveau processus de transcription : et ainsi de suite. "De cette façon, nos nanomoteurs peuvent effectuer des actions pulsées", explique Mathias Centola du groupe de recherche dirigé par le professeur Famulok.
Comme les autres types de moteurs, ce type de moteur nécessite de l’énergie. L'énergie est fournie par la « soupe à l'alphabet » de transcrits produits par les polymérases. Chaque lettre (terme technique : nucléotide) possède une petite queue composée de trois groupes phosphate – un triphosphate. Afin d'attacher une nouvelle lettre à une phrase existante, la polymérase doit en retirer deux groupes phosphate. Cela libère de l’énergie, qui est utilisée pour relier les lettres entre elles. "Notre moteur utilise donc des nucléotides triphosphates comme carburant. Il ne peut continuer à fonctionner que lorsqu'il y a des quantités suffisantes de nucléotides triphosphates."
Les chercheurs ont pu montrer que le moteur pouvait être facilement combiné avec d’autres structures. Cela permettrait, par exemple, de se déplacer sur des surfaces, à la manière d'un ver de terre se tirant le long d'une branche à sa manière. "Nous prévoyons également de produire un embrayage afin de pouvoir utiliser la puissance du moteur uniquement à certains moments et le laisser tourner au ralenti à d'autres moments", a expliqué Famlock. À long terme, les moteurs pourraient devenir le cœur de nanomachines complexes. Cependant, nous avons encore beaucoup de travail à faire avant d’en arriver à ce stade. "
Le laboratoire de Šulc est un laboratoire hautement interdisciplinaire qui applique des méthodes de physique statistique et de modélisation informatique à un large éventail de problèmes dans les domaines de la chimie, de la biologie et de la nanotechnologie. Le groupe de recherche a développé de nouveaux modèles multi-échelles pour étudier les interactions entre biomolécules, notamment dans la conception et la modélisation de nanostructures et de dispositifs d'ADN et d'ARN.
"Tout comme les machines complexes que nous utilisons quotidiennement - les puces des avions, des voitures et des appareils électroniques - nécessitent des outils sophistiqués de conception assistée par ordinateur pour garantir leur fonctionnement comme prévu, le domaine de la science moléculaire a désespérément besoin d'accéder à de telles méthodes." Le professeur Tijana Rajh, doyen de l'École des sciences moléculaires, a déclaré : « Petr Šulc et son groupe de recherche mènent des recherches en sciences moléculaires très innovantes, en utilisant des méthodes de chimie et de physique computationnelles pour étudier les molécules d'ADN et d'ARN dans le contexte de la biologie et de la nanotechnologie. Notre jeune professeur de l'École des sciences moléculaires a obtenu des résultats extraordinaires, et le professeur Šulc en est un bon exemple. »
L'ADN et l'ARN sont les molécules de base de la vie. Ils remplissent diverses fonctions, notamment le stockage et le transfert d’informations dans les cellules vivantes. Ils ont également de larges perspectives d’application dans le domaine de la nanotechnologie, où des brins d’ADN et d’ARN conçus peuvent être utilisés pour assembler des structures et des dispositifs à l’échelle nanométrique. C'est un peu comme jouer avec des Lego, sauf que chaque brique Lego ne mesure que quelques nanomètres (millionièmes de millimètre). Au lieu de placer chaque brique là où elle est censée aller, vous les mettez dans une boîte et vous les secouez jusqu'à ce que seule la structure souhaitée en ressorte.
"Il existe de nombreuses applications prometteuses dans ce domaine, notamment le diagnostic, la thérapeutique, la robotique moléculaire et la construction de nouveaux matériaux", a déclaré Šulc. "Mon laboratoire a développé le logiciel permettant de concevoir ces éléments de base, et nous travaillons en étroite collaboration avec des groupes expérimentaux de l'Université de l'Arizona et d'autres universités aux États-Unis et en Europe. Alors que le domaine continue de progresser et que nous mettons en œuvre de nouvelles conceptions avancées et les exécutons avec succès à l'échelle nanométrique, il est passionnant de voir nos méthodes utilisées pour concevoir et caractériser des nanostructures de plus en plus complexes. "