Nanotechnologie de l'ADN: Progrès dans la conception moléculaire et l'auto-assemblage

Par Fouad Sabry

Nanotechnologie de l'ADN-Explorez les principes et les fondements de la nanotechnologie de l'ADN et comprenez son rôle transformateur dans l'ingénierie à l'échelle nanométrique.

ADN-Plongez dans la structure et les propriétés de l'ADN, l'élément constitutif de la nanotechnologie de l'ADN, en soulignant sa polyvalence dans la conception et la manipulation.

Nanotechnologie-Comprenez le contexte plus large de la nanotechnologie et son intersection avec les innovations basées sur l'ADN qui génèrent de nouvelles avancées dans l'ingénierie moléculaire.

Structure secondaire des acides nucléiques-Examinez comment les structures secondaires des acides nucléiques sont essentielles à la conception de nanostructures d'ADN, permettant la stabilité et la fonctionnalité.

Bactériophage M13-Découvrez le bactériophage M13 et son rôle essentiel dans l'avancement de la nanotechnologie basée sur l'ADN, en particulier dans l'assemblage de matériaux à l'échelle nanométrique.

Jonction de Holliday-Étudiez la jonction de Holliday, une structure pivot dans la recombinaison de l'ADN, et son importance dans la création d'échafaudages moléculaires.

Auto-assemblage moléculaire-Découvrez le processus d'auto-assemblage moléculaire, où les brins d'ADN forment spontanément des structures complexes sans guidage externe.

Origami ADN-Plongez dans l'origami ADN, l'art de plier l'ADN dans des formes spécifiques, qui a révolutionné la façon dont nous concevons les nanostructures.

Acide nucléique sphérique-Comprenez le concept des acides nucléiques sphériques et leurs applications dans les technologies d'administration de médicaments et de diagnostic.

Acide nucléique peptidique-découvrez les acides nucléiques peptidiques, des analogues synthétiques de l'ADN qui sont prometteurs pour les avancées dans le diagnostic et la thérapie génétiques.

Modèles moléculaires de l'ADN-découvrez divers modèles de structure de l'ADN et comment ces modèles aident à prédire le comportement moléculaire pour une conception précise.

Robert Dirks-découvrez les contributions de Robert Dirks à la nanotechnologie de l'ADN et son travail de pionnier sur les dispositifs et systèmes basés sur l'ADN.

Conception d'acide nucléique-étudiez les stratégies de conception derrière les acides nucléiques, en vous concentrant sur leur rôle dans la création de systèmes moléculaires programmables.

TectoRNA-découvrez TectoRNA, une technologie innovante basée sur l'ARN qui complète l'origami de l'ADN en élargissant la boîte à outils de l'ingénierie moléculaire.

Informatique ADN-plongez dans l'informatique ADN, où les molécules d'ADN sont utilisées pour effectuer des tâches de calcul, révolutionnant ainsi l'avenir du traitement de l'information.

Nanoruler-découvrez le concept de nanoruler, un outil de mesure au niveau moléculaire, et ses applications dans le diagnostic et la recherche moléculaires.

Structure biomoléculaire-comprenez les structures complexes des biomolécules et comment elles éclairent le développement d'applications de nanotechnologie de l'ADN.

Cees Dekker-découvrez les travaux révolutionnaires de Cees Dekker sur les nanostructures de l'ADN et ses contributions au domaine plus large de l'ingénierie moléculaire.

Origami ARN-découvrez l'origami ARN, une technique de pointe qui utilise des molécules d'ARN pour la conception de nanostructures et ses applications potentielles dans divers domaines.

Nadrian Seeman-découvrez les recherches pionnières de Nadrian Seeman, un visionnaire de la nanotechnologie de l'ADN, et ses travaux fondamentaux sur l'assemblage moléculaire.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 8 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Nanotechnologie de l'ADN

Le processus de conception et de fabrication de structures artificielles d'acides nucléiques destinés à être utilisés dans des applications technologiques est appelé nanotechnologie de l'ADN. Dans ce domaine d'étude, les acides nucléiques ne sont pas utilisés comme transporteurs de l'information génétique dans les cellules vivantes ; ils sont plutôt utilisés comme matériaux pour la nanotechnologie qui ne sont pas obtenus par le génie biologique. Les réseaux cristallins bidimensionnels et tridimensionnels, les nanotubes, les polyèdres et les formes arbitraires sont des exemples de structures statiques que les chercheurs de cette discipline ont construites. De plus, des dispositifs fonctionnels tels que des moteurs moléculaires et des ordinateurs à ADN ont été développés par ces chercheurs. Les applications en cristallographie aux rayons X et en spectroscopie par résonance magnétique nucléaire des protéines, qui sont utilisées pour déterminer leurs structures, sont des exemples de la façon dont ce domaine commence à être utilisé comme outil dans le but de résoudre des défis scientifiques fondamentaux dans les domaines de la biologie structurale et de la biophysique. Des recherches sont également menées sur la possibilité d'utilisations dans l'électronique de taille moléculaire et les technologies de nanomédecine.

Au début des années 1980, Nadrian Seeman a été le premier à présenter les fondements conceptuels de la nanotechnologie de l'ADN. Ce n'est qu'au milieu des années 2000 que la région a commencé à susciter un grand intérêt. En raison des contraintes strictes d'appariement des bases que les acides nucléiques possèdent, cette utilisation des acides nucléiques est rendue possible. Ces exigences font en sorte que seules certaines régions de brins qui ont des séquences de bases complémentaires se lient ensemble afin de construire des structures en double hélice robustes et rigides. La conception rationnelle de séquences de base qui s'assembleront sélectivement pour générer des structures cibles complexes avec des caractéristiques à l'échelle nanométrique finement régulées est rendue possible grâce à cela. Ces structures sont créées à l'aide d'une variété de techniques d'assemblage, telles que des structures à base de tuiles qui sont assemblées à partir de structures plus petites, des structures pliées créées à l'aide de la méthode de l'origami d'ADN et des structures dynamiquement reconfigurables qui sont créées grâce à l'utilisation de techniques de déplacement de brins. Le nom de la discipline fait spécifiquement référence à l'ADN ; Néanmoins, les mêmes concepts ont également été appliqués à d'autres types d'acides nucléiques, ce qui a conduit à l'utilisation occasionnelle du nom alternatif de nanotechnologie des acides nucléiques.

Au début des années 1980, Nadrian Seeman a été la première personne à jeter les bases conceptuelles de son développement ultérieur dans la nanotechnologie de l'ADN. Le premier objectif de Seeman était de développer un réseau d'ADN tridimensionnel dans le but d'orienter d'autres grosses molécules. Cela rendrait leurs études cristallographiques plus faciles à réaliser en supprimant la procédure difficile de création de cristaux purs.  Selon les rapports, il avait conçu cette notion dans la seconde moitié de 1980, lorsqu'il a pris conscience des similitudes entre la gravure sur bois connue sous le nom de Depth by M. Un assortiment de jonctions à six bras d'ADN, ainsi que C. Escher.  Il y avait un certain nombre de structures d'ADN ramifiées naturelles qui étaient connues à l'époque, telles que la jonction mobile Holliday et la fourche de réplication de l'ADN. Cependant, la découverte de Seeman était que des jonctions d'acides nucléiques immobiles pouvaient être créées en concevant de manière appropriée les séquences de brins afin d'éliminer la symétrie dans la molécule assemblée. De plus, Seeman a découvert que ces jonctions immobiles pouvaient en principe être combinées en réseaux cristallins rigides.  Les premiers travaux théoriques proposant cette approche ont été publiés en 1982, et la première preuve expérimentale d'une jonction d'ADN immobile a été publiée l'année suivante. Ces deux publications ont été publiées consécutivement.

Le laboratoire de Seeman a publié un article en 1991 sur la synthèse d'un cube fait d'ADN. Ce cube a été la première nanostructure synthétique tridimensionnelle d'acide nucléique. Seeman a reçu le prix Feynman en nanotechnologie en 1995 pour son travail sur ce projet. Celui-ci a ensuite été suivi d'un octaèdre dont l'ADN a été raccourci. En peu de temps, il est devenu très évident que ces structures, qui étaient des formes polygonales avec des articulations flexibles servant de sommets, ne possédaient pas la rigidité nécessaire pour créer des lignes tridimensionnelles prolongées. C'est en 1998 que Seeman, en partenariat avec Erik Winfree, a présenté la fabrication de treillis bidimensionnels de tuiles DX. C'est Seeman qui a inventé le motif structurel plus rigide à double croisement (DX).  Winfree et Paul Rothemund ont démontré l'informatique de l'ADN dans leur article de 2004 sur l'auto-assemblage algorithmique d'une structure d'étanchéité Sierpinski, pour lequel ils ont partagé le prix Feynman en nanotechnologie en 2006. Ces structures basées sur des tuiles avaient l'avantage de pouvoir implémenter l'informatique de l'ADN, ce qui a été démontré par Winfree et Paul Rothemund. Une prise de conscience importante de Winfree était que les tuiles DX pouvaient être utilisées comme tuiles Wang, ce qui signifiait que l'assemblage de ces tuiles pouvait effectuer des calculs.  La synthèse d'un réseau tridimensionnel a finalement été publiée par Seeman en 2009, soit environ trente ans après qu'il s'était initialement fixé pour objectif d'atteindre cet objectif dès le début.

Tout au long des années 2000, de nouvelles capacités pour des structures d'ADN spécifiquement construites ont été révélées de manière constante.  La première nanomachine à ADN, qui est un motif qui modifie sa structure en réponse à une entrée, a été démontrée par Seeman en 1999.  En l'an 2000, Bernard Yurke a présenté une démonstration d'un système amélioré qui était le premier dispositif d'acide nucléique à tirer parti du déplacement de brin médié par la prise d'orteil. L'étape suivante a été de convertir cela en mouvement mécanique, et en 2004 et 2005, les groupes de Seeman, Niles Pierce, Andrew Turberfield et Chengde Mao ont démontré plusieurs dispositifs de marche d'ADN. Il s'agissait de l'étape suivante dans la progression de la technologie.  Le concept d'utiliser des réseaux d'ADN comme modèle pour l'assemblage d'autres molécules, telles que les nanoparticules et les protéines, a été initialement proposé par Bruche Robinson et Seeman en 1987. En 2002, Seeman, Kiehl et al. ont démontré ce concept, et les développements ultérieurs ont été démontrés par une multitude d'autres groupes.

En 2006, Rothemund a été la première personne à montrer la méthode de l'origami d'ADN, qui est une technique qui permet la production simple et fiable de structures d'ADN pliées de n'importe quelle forme. Rothemund avait conçu cette technologie comme étant conceptuellement à mi-chemin entre les réseaux DX de Seeman, qui utilisaient un grand nombre de brins courts, et l'octaèdre d'ADN de William Shih, qui était principalement composé d'un seul brin très long. L'origami d'ADN créé par Rothemund est composé d'un long brin qui est plié à l'aide de plusieurs brins plus courts. Cette technologie a permis de créer des structures nettement plus grandes que celles qui étaient auparavant réalisables, et elles étaient également plus faciles à concevoir et à synthétiser d'un point de vue technique. Le 15 mars 2006, Natural a publié un article sur l'origami à base d'ADN.  Les recherches menées par Rothemund, qui ont révélé la création de structures d'origami d'ADN bidimensionnel, ont ensuite été suivies par la démonstration d'un origami d'ADN tridimensionnel solide par Douglas et al. en 2009. De plus, les laboratoires de Jørgen Kjems et Yan ont démontré des structures tridimensionnelles creuses construites à l'aide de faces bidimensionnelles.

En raison de l'utilisation non biologique inhabituelle des acides nucléiques comme matériaux pour la construction de structures et la réalisation de calculs, la nanotechnologie de l'ADN a d'abord été accueillie avec un certain scepticisme. Cela était dû au fait que la majorité des expériences qui ont été menées étaient des expériences de preuve de principe, qui ont étendu les capacités du domaine mais n'étaient même pas proches d'être des applications réelles. Un critique a applaudi la recherche de Seeman en 1991 sur la synthèse du cube d'ADN pour son caractère unique, tandis qu'un autre critique l'a condamnée pour son manque de pertinence biologique. La revue Science a finalement décidé de rejeter l'article de Seeman qui avait été soumis en 1991.  Au début des années 2010, on croyait que le domaine avait amélioré ses capacités au point que des applications pour la recherche en sciences fondamentales commençaient à se concrétiser, et que des applications pratiques en médecine et dans d'autres secteurs commençaient à être considérées comme réalistes.  Le nombre de laboratoires actifs dans le domaine est passé d'un nombre relativement faible en 2001 à au moins soixante en 2010, ce qui a entraîné une augmentation du bassin de talents et, par conséquent, du nombre de progrès scientifiques réalisés dans le domaine au cours de cette décennie.

Il est courant de définir la nanotechnologie comme l'étude de matériaux et de dispositifs qui ont des caractéristiques à une échelle inférieure à 100 nanomètres.  La nanotechnologie de l'ADN, en particulier, est un exemple d'auto-assemblage moléculaire ascendant. Ce type d'auto-assemblage se produit lorsque les composants moléculaires s'organisent spontanément en structures stables. La forme spécifique de ces structures est causée par les propriétés physiques et chimiques des composants qui sont choisis par les concepteurs.  Dans le domaine de la nanotechnologie de l'ADN, les matériaux constitutifs comprennent des brins d'acides nucléiques comme l'ADN. Ces brins sont souvent synthétiques et sont pratiquement toujours utilisés dans un environnement qui n'est pas une cellule vivante. Étant donné que la liaison entre deux brins d'acide nucléique dépend de règles simples d'appariement des bases bien comprises, l'ADN est un excellent candidat pour la construction à l'échelle nanométrique. Ces règles sont responsables de la formation de la structure nanométrique distinctive de la double hélice de l'acide nucléique. Le fait d'avoir ces caractéristiques permet d'exercer facilement un contrôle sur l'assemblage des structures d'acides nucléiques grâce à l'utilisation de la conception des acides nucléiques.  Les protéines, pour lesquelles la conception des protéines est extrêmement difficile, et les nanoparticules, qui n'ont pas la capacité d'un assemblage particulier par elles-mêmes, sont deux exemples de matériaux qui ne possèdent pas cette caractéristique. D'autres matériaux utilisés dans la nanotechnologie ne possèdent pas ces