Origami ARN: Libérer le potentiel des structures d’acides nucléiques dans les applications biomédicales

Par Fouad Sabry

"RNA Origami", qui fait partie de la série "DNA Origami", présente une exploration approfondie du monde fascinant des structures d'acides nucléiques et de leur potentiel en nanotechnologie. Ce livre est un incontournable pour les professionnels, les étudiants et les passionnés qui cherchent à percer les complexités du repliement de l'ARN et ses applications dans la science moderne. En combinant des fondements théoriques avec des recherches de pointe, cet ouvrage offre des informations précieuses à toute personne intéressée par l'intersection de la biologie, de la technologie et de l'ingénierie moléculaire.

Brève présentation des chapitres :

1 : Origami de l'ARN : explore les principes qui sous-tendent le repliement de l'ARN et son potentiel pour les applications en nanotechnologie.

2 : Origami de l'ADN : discute des techniques de repliement de l'ADN et des similitudes avec le repliement de l'ARN dans la création de nanostructures.

3 : Structure secondaire de l'acide nucléique : étudie l'importance des structures secondaires dans la fonction et la conception de l'acide nucléique.

4 : Biomolécule : examine le rôle des biomolécules dans la reconnaissance et l'auto-assemblage moléculaires.

5 : Nanoruler : se concentre sur l'utilisation des acides nucléiques comme outils de précision dans la nanotechnologie et les mesures.

6 : TectoRNA : présente TectoRNA comme une approche révolutionnaire de la construction de machines et de dispositifs moléculaires.

7 : Structure biomoléculaire : couvre la relation entre les structures biomoléculaires et leur fonctionnalité dans les systèmes à l'échelle nanométrique.

8 : Structure de l'acide nucléique : analyse le concept plus large des structures d'acide nucléique et leur rôle dans la conception moléculaire.

9 : Conception de l'acide nucléique : étudie les principes de conception des séquences d'acide nucléique modifiées et leurs applications.

10 : Acide nucléique sphérique : examine le concept d'acide nucléique sphérique et son potentiel pour les applications avancées de nanostructure.

11 : ADN : permet de mieux comprendre l'importance biologique de l'ADN dans le contexte de l'origami de l'ARN et de la nanotechnologie.

12 : Jonction de Holliday : aborde les propriétés uniques de la jonction de Holliday et son rôle dans la recombinaison génétique.

13 : Structure quaternaire des acides nucléiques : explore l'organisation d'ordre supérieur des acides nucléiques et leurs implications dans la nanotechnologie.

14 : Appariement de bases non canoniques : explore les mécanismes et les applications des interactions de paires de bases non canoniques dans l'origami de l'ARN.

15 : Histoire de la biologie de l'ARN : fournit un aperçu historique de la biologie de l'ARN, en mettant l'accent sur les avancées clés dans la recherche sur l'ARN.

16 : État natif : étudie le concept d'états natifs dans le repliement des acides nucléiques et sa pertinence pour les conceptions fonctionnelles.

17 : Modèles moléculaires de l'ADN : discute des différents modèles utilisés pour comprendre la structure de l'ADN et ses implications pour le repliement de l'ARN.

18 : Paire de bases : explore les spécificités de l'appariement de bases et son importance dans l'intégrité structurelle de l'ARN et de l'ADN.

19 : Biosynthèse des protéines : couvre le lien entre les structures de l'ARN et la synthèse des protéines en biologie cellulaire.

20 : Structure tertiaire des acides nucléiques : explore le repliement tridimensionnel des acides nucléiques et son impact sur la fonction moléculaire.

21 : Nanotechnologie de l'ADN : aborde le domaine passionnant de la nanotechnologie de l'ADN et son potentiel futur dans les applications biologiques.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 9 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :L'origami à ARN

Le repliement à l'échelle nanométrique de l'ARN est connu sous le nom d'origami d'ARN. Ce processus de repliement permet à l'ARN de se transformer en structures spécifiques qui peuvent être utilisées pour organiser les molécules. L'Université d'Aarhus et le California Institute of Technology ont tous deux contribué au développement de cette approche innovante, qui a été développée par des chercheurs. Les enzymes sont responsables de la synthèse de l'ARN origami, qui consiste à plier l'ARN sous certaines formes. Le repliement de l'ARN a lieu dans des cellules vivantes dans des conditions naturelles pour l'environnement. L'origami d'ARN est une représentation d'un gène de l'ADN qui, lorsqu'il est présent dans les cellules, peut être transcrit en ARN par l'ARN polymérase.  Il existe un grand nombre d'algorithmes informatiques qui peuvent aider au repliement de l'ARN ; cependant, aucun d'entre eux ne peut prédire avec précision le repliement de l'ARN sur la base d'une seule séquence.

Les composants moléculaires capables de s'auto-assembler en structures stables sont au centre de la nanotechnologie des acides nucléiques. Ces acides nucléiques artificiels sont conçus pour construire des composants moléculaires qui peuvent être utilisés pour une variété d'applications, y compris l'administration ciblée de médicaments et les biomatériaux programmables. Grâce à l'application de motifs d'ADN, la nanotechnologie de l'ADN est capable de construire des structures et des regroupements cibles. La nanorobotique, les réseaux algorithmiques et les applications de capteurs ne sont que quelques-unes des nombreuses applications qui ont utilisé cette technologie.  Il existe un large éventail d'applications potentielles qui pourraient être développées à l'aide de la nanotechnologie de l'ADN à l'avenir.

Les concepteurs ont été en mesure de faire de la nanotechnologie de l'ARN une discipline en plein essor grâce au succès de la nanotechnologie de l'ADN. La méthode de nanotechnologie de l'ARN combine la construction et la manipulation simples qui sont typiques de l'ADN avec la flexibilité supplémentaire de la structure et la diversité de la fonction qui est comparable à celle des protéines.  La diversité de l'ARN en termes de structure et de fonction, ainsi que ses propriétés in vivo avantageuses et son auto-assemblage ascendant, en font un candidat attrayant pour le développement de structures d'administration de médicaments à base de nanoparticules et de biomatériaux. L'échafaudage cubique d'ARN, l'assemblage avec et sans matrice et l'origami d'ARN sont quelques-unes des approches qui ont été développées afin de fabriquer ces nanoparticules d'ARN.

Ebbe S. Andersen, de l'Université d'Aarhus, est celui qui a publié les premiers travaux dans le domaine de l'origami ARN, qui ont été publiés dans Science. Dans le but de concevoir un origami d'ARN individuel, des chercheurs de l'Université d'Aarhus ont utilisé une variété de modèles 3D et de logiciels informatiques.  Suite à l'encodage d'un gène d'ADN synthétique, l'incorporation de l'ARN polymérase a conduit à la synthèse de l'ARN origami. La microscopie à force atomique, une technique qui permet aux chercheurs d'examiner les molécules mille fois plus près que ce qui serait normalement possible avec un microscope optique standard, était la principale méthode utilisée pour l'observation de l'ARN. Malgré le fait qu'ils aient pu construire des formes en nid d'abeille, ils ont découvert que d'autres formes sont également possibles.

L'une des personnes les mieux informées sur le sujet de l'origami ARN, Cody Geary, a décrit le caractère distinctif de l'approche de l'origami ARN. Selon ce qu'il a dit, la formule de son repliement est enregistrée dans la molécule elle-même, et sa séquence est ce qui détermine son repliement. La séquence est responsable à la fois de la forme finale de l'origami de l'ARN ainsi que des mouvements de la structure qui se produisent pendant qu'il se plie.  En raison du fait que l'ARN se replie de lui-même et peut donc rapidement s'emmêler, la difficulté la plus importante liée à l'origami d'ARN est présente.

La création du modèle tridimensionnel, l'écriture de la structure bidimensionnelle et la conception de la séquence sont les trois opérations principales requises pour la conception assistée par ordinateur de la structure de l'ARN en origami. Pour commencer, un modèle tridimensionnel est construit en utilisant des motifs tertiaires qui sont actuellement stockés dans des bases de données. Afin de s'assurer que la structure nouvellement formée a une géométrie et une déformation raisonnables, cela est nécessaire. La création de la structure bidimensionnelle qui décrit le chemin des brins et les paires de bases dérivées du modèle tridimensionnel est la prochaine étape du processus. Des contraintes de séquence sont introduites dans ce plan bidimensionnel, ce qui entraîne la création de motifs primaires, secondaires et tertiaires. La dernière étape consiste à concevoir des séquences compatibles avec la structure qui a été conçue. L'application d'algorithmes de conception permet de créer des séquences capables de se plier dans une variété de configurations.

Dans la méthode de l'origami d'ARN, les doubles croisements (DX) sont utilisés pour disposer les hélices d'ARN de manière parallèle les unes aux autres afin de créer un bloc de construction. Cela permet à l'approche de fabriquer la forme requise. Les chercheurs ont été en mesure de concevoir un moyen de fabriquer des molécules DX en utilisant un seul brin d'ARN, contrairement au processus de l'origami d'ADN, qui nécessite la production de molécules d'ADN à partir de plusieurs brins. L'ajout de complexes de boucles de baiser sur les hélices intérieures et de motifs en épingle à cheveux sur les marges a été le moyen d'y parvenir.  La formation d'une jonction appelée couture en queue d'aronde est réalisée en empilant plus de molécules d'ADN les unes sur les autres.  Cette couture en queue d'aronde comporte des paires de bases qui se croisent entre des jonctions adjacentes ; En conséquence, le joint structurel qui longe la jonction devient spécifique à la séquence. L'un des aspects les plus essentiels de ces interactions de pliage est le pliage lui-même ; La séquence dans laquelle les contacts se forment a le potentiel de générer une situation dans laquelle une interaction en bloque une autre, entraînant la formation de frictions. Ces problèmes topologiques ne sont pas causés par les interactions de boucle de baiser ou les interactions en queue d'aronde, car elles sont soit d'un demi-tour, soit plus courtes que les autres interactions disponibles.

L'organisation et la coordination de processus moléculaires importants peuvent être accomplies grâce à l'utilisation de nanostructures d'ARN et d'ADN.  Néanmoins, il existe un certain nombre de distinctions importantes entre les deux en termes de structure de base et d'applications associées à chacun.  La procédure de l'origami à l'ARN est très différente des techniques d'origami à ADN qui ont été développées par Paul Rothemund, malgré le fait qu'elles aient été la source d'inspiration.  L'origami d'ARN est un processus beaucoup plus récent que l'origami d'ADN ; l'étude de l'origami de l'ADN se poursuit depuis près d'une décennie à ce stade, mais l'étude de l'origami de l'ARN n'a commencé que récemment.

L'origami d'ARN, quant à lui, est produit par des enzymes, puis se plie en motifs pré-rendus. Cela contraste avec l'origami d'ADN, qui consiste à synthétiser chimiquement les brins d'ADN et à arranger les brins pour former n'importe quelle forme requise à l'aide de « brins agrafés ».  En raison de la présence d'un certain nombre de motifs structurels secondaires, tels que des motifs conservés et des éléments structurels courts, l'ARN est capable de se replier de différentes manières à l'intérieur de structures complexes.  L'interaction entre la structure secondaire est un facteur important dans la détermination de la topologie de l'ARN. Cette interaction comprend des motifs tels que des pseudo-nœuds et des boucles qui s'embrassent, des hélices adjacentes qui s'empilent les unes sur les autres, des boucles en épingle à cheveux avec un renflement et des piles coaxiales. Cela est principalement dû à la présence de quatre nucléotides distincts, à savoir l'adénine (A), la cytosine (C), la guanine (G) et l'uracile (U), ainsi qu'à la capacité de construire des paires de bases qui ne sont pas considérées comme canoniques.

Il existe d'autres interactions tertiaires composées d'ARN qui sont plus sophistiquées et ont une plus grande portée. L'ADN est incapable de produire ces motifs tertiaires et, par conséquent, il est incapable d'égaler la capacité fonctionnelle de l'ARN en termes d'exécution de tâches potentiellement plus diverses. En raison du placement d'ions métalliques à leurs sites actifs, les molécules d'ARN qui ont été repliées de manière appropriée ont le potentiel de fonctionner comme des enzymes. Cela confère aux molécules un large éventail de capacités catalytiques. Les structures de l'ARN ont la capacité d'être produites dans des cellules vivantes et utilisées dans le but d'organiser les enzymes cellulaires en groupes discrets. Cela est dû au fait que les structures de l'ARN sont liées aux enzymes.

Il y a aussi le fait que la désintégration moléculaire de l'origami d'ADN est difficile à assimiler dans le matériel génétique d'un organisme.  D'autre part, l'origami d'ARN peut être écrit directement sous la forme d'un gène d'ADN, puis transcrit à l'aide de l'ARN polymérase.  Par conséquent, alors que la production d'origami d'ADN implique la culture de cellules à l'extérieur de la cellule, la production d'origami d'ARN peut se faire en grande quantité et à faible coût directement à l'intérieur de la cellule en cultivant simplement des bactéries. La fonctionnalité supplémentaire de la structure de l'ARN, associée au fait qu'il est possible et rentable de fabriquer de l'ARN dans des cellules vivantes, offre une perspective prometteuse pour la création d'origami d'ARN.

La notion d'origami à ARN est relativement nouvelle et a le potentiel d'être appliquée dans divers domaines, notamment la nanomédecine et la biologie synthétique. Une nouvelle approche a été créée afin de faciliter la construction de nanostructures d'ARN massives qui peuvent être utilisées pour établir des échafaudages définis dans le but de combiner des fonctions basées sur l'ARN. En raison du fait que l'origami à ARN n'en est qu'à ses balbutiements, un nombre important de ses applications possibles sont encore en cours de découverte. En raison de son architecture, il est en mesure d'offrir une base stable qui permet aux composants de l'ARN de démontrer leur utilité. En plus des riboswitches et des ribozymes, ces structures sont également constituées de sites d'interaction et d'aptamères. Les structures aptamères permettent la liaison de minuscules molécules, ce qui ouvre la porte à la possibilité de fabriquer des nanodispositifs à base d'ARN à l'avenir. D'autres applications de l'origami d'ARN comprennent l'identification et la liaison des cellules à des fins de diagnostic, entre autres applications. De plus, des recherches ont été menées sur l'administration ciblée ainsi que sur le passage de la barrière hémato-encéphalique. L'origami d'ARN pourrait avoir un certain nombre d'applications importantes à l'avenir, dont la construction d'échafaudages qui peuvent être utilisés pour organiser d'autres protéines minuscules et leur permettre de collaborer les unes avec les autres.

{Fin du chapitre 1}

Chapitre 2 :L'origami d'ADN

L'origami d'ADN fait référence au processus de pliage de l'ADN à l'échelle nanométrique pour construire des structures arbitraires bidimensionnelles et tridimensionnelles. L'ADN est un bon matériau de construction qui peut être conçu de telle manière que ses séquences de bases tirent parti de la spécificité des interactions qui se produisent entre les paires de bases complémentaires. L'ADN est un matériau bien compris qui peut soit être utilisé pour fabriquer des échafaudages qui maintiennent d'autres molécules en place, soit être utilisé seul pour former des structures.

Le 16 mars 2006, l'origami DNA a été présenté comme article vedette sur la couverture de Nature.

Au début des années 1980, Nadrian Seeman a été le premier à proposer le concept d'utilisation de l'ADN lui-même comme matériau de construction.

Les méthodes d'auto-assemblage ascendant sont considérées comme des alternatives viables car elles permettent la synthèse parallèle peu coûteuse de nanostructures dans des circonstances assez modérées.

Depuis le début de cette procédure, un logiciel basé sur un logiciel de CAO a été créé pour servir d'assistant tout au long du processus. Pour cette raison, les chercheurs sont en mesure d'utiliser un ordinateur pour comprendre comment construire les agrafes appropriées qui sont nécessaires pour construire une certaine forme. Un programme qui correspond à cette description s'appelle caDNAno, et il s'agit d'une application open source qui génère de telles structures à partir de l'ADN. Non seulement l'utilisation d'un logiciel a rendu la procédure beaucoup plus facile, mais elle a également considérablement réduit les erreurs causées par les calculs manuels.

Dans les recherches publiées, une grande variété d'applications possibles ont été proposées, telles que l'immobilisation d'enzymes, le développement de systèmes d'administration de médicaments et l'auto-assemblage nanotechnologique de matériaux. Bien que l'ADN ne soit pas le matériau de choix pour la construction de structures actives pour des applications nanorobotiques en raison de sa polyvalence structurelle et catalytique limitée, plusieurs articles ont étudié la possibilité de marcheurs moléculaires basés sur l'origami et les commutateurs pour le calcul algorithmique. Et ce, malgré le fait que l'ADN n'est pas le matériau de choix pour la construction de structures actives. Les paragraphes suivants fournissent une liste de certaines des applications documentées qui ont été réalisées en laboratoire et qui ont des applications cliniques potentielles.

Dans des études en laboratoire, des chercheurs de l'Institut Wyss de l'Université Harvard ont annoncé l'auto-assemblage et l'autodestruction de récipients d'administration de médicaments fabriqués à partir d'origami d'ADN. Le nanorobot à ADN qu'ils ont conçu et construit se présente sous la forme d'un tube d'ADN ouvert doté d'une charnière d'un côté et d'un fermoir qui peut être utilisé pour fermer le tube. Un aptamère d'ADN qui a été programmé pour reconnaître et rechercher une protéine particulière liée à une maladie est ce qui maintient le tube d'ADN rempli de médicament scellé hermétiquement. Lorsque les nanorobots en origami auront atteint les cellules infectées, les aptamères se désassembleront et le médicament sera libéré. La leucémie et le lymphome ont été choisis pour servir de modèle de maladie initial examiné par les chercheurs.

De plus, le concept d'utiliser la conception de protéines afin d'atteindre les mêmes objectifs que l'origami d'ADN a été mis en lumière. L'Institut national de chimie de Slovénie dispose d'une équipe de chercheurs qui se concentrent sur la conception rationnelle du repliement des protéines. Leur objectif est de produire des structures comparables à celles qui peuvent être fabriquées avec de l'origami à ADN. C'est dans le domaine de l'administration de médicaments que se déroule la majorité des recherches actuelles sur la conception du repliement des protéines. Cette étude utilise des anticorps couplés à des protéines afin de fournir un véhicule adapté.

{Fin du chapitre 2}

Chapitre 3 :Structure secondaire de l'acide nucléique

Il existe des interactions d'appariement de bases qui se produisent soit au sein d'un seul polymère d'acide nucléique, soit entre deux polymères. Ces interactions sont connues sous le nom de structure secondaire de l'acide nucléique. Il est possible de le décrire comme une liste de bases qui sont assemblées dans une molécule d'acide nucléique.

Les structures secondaires de l'ADN et de l'ARN biologiques sont généralement distinctes les unes des autres. L'ADN biologique prend généralement la forme de doubles hélices entièrement appariées de bases, tandis que l'ARN biologique est simple brin et s'engage fréquemment dans des interactions complexes et complexes d'appariement de bases. En effet, l'ARN a une plus grande capacité à former des liaisons hydrogène, ce qui est le résultat de la présence d'un groupe hydroxyle supplémentaire dans le sucre ribose présent dans l'ADN biologique.

Dans un contexte qui n'est pas lié à la biologie, la structure secondaire est un facteur essentiel à prendre en compte lors de la conception de structures d'acides nucléiques pour la nanotechnologie de l'ADN et l'informatique de l'ADN. Cela est dû au fait que le modèle de basepairing finit par affecter la forme globale des molécules.

Dans le domaine de la biologie moléculaire, le terme « paire de bases » fait référence à une paire de nucléotides situés sur des brins complémentaires opposés d'ADN ou d'ARN et qui sont reliés les uns aux autres par des liaisons hydrogène. Dans l'appariement de bases Watson-Crick, l'adénine (A) forme une paire de bases avec la thymine (T) et la guanine (G) forme une paire de bases avec la cytosine (C) dans l'ADN. Il s'agit de l'appariement de base conventionnel Watson-Crick. L'ARN contient de l'uracile (U), qui remplace la thymine. Des modèles alternatifs de liaisons hydrogène, tels que la paire de bases oscillantes et la paire de bases Hoogsteen, sont également présents, en particulier dans l'ARN, et ils sont responsables de la formation de structures tertiaires à la fois complexes et fonctionnelles.  Il est important de noter que l'appariement est le mécanisme qui permet aux anticodons de l'ARN de transfert de reconnaître les codons des molécules d'ARN messager pendant le processus de traduction des protéines. Certaines enzymes qui se lient à l'ADN ou à l'ARN ont la capacité de reconnaître des modèles d'appariement de bases particuliers, qui peuvent être utilisés pour identifier des zones régulatrices spécifiques des gènes.

Dans le mécanisme chimique qui sous-tend les principes d'appariement des bases qui ont été décrits précédemment, la liaison hydrogène est le mécanisme. En effet, seules les « bonnes » paires sont capables de se former de manière stable lorsque la correspondance géométrique entre les donneurs et les accepteurs de liaisons hydrogène est appropriée. L'ADN à forte teneur en GC est plus stable que l'ADN à faible teneur en GC ; néanmoins, contrairement à la notion répandue, les liaisons hydrogène ne stabilisent pas considérablement l'ADN, et les interactions d'empilement sont la principale cause de la stabilité de