Acide nucléique sphérique: Exploiter la conception des nanostructures pour des interactions moléculaires ciblées

Par Fouad Sabry

Découvrez le monde révolutionnaire de l'acide nucléique sphérique (SNA) dans cet ouvrage complet, où les techniques d'origami de l'ADN se croisent avec la nanotechnologie de pointe. Ce livre est un incontournable pour les professionnels, les étudiants et les passionnés qui cherchent à explorer les dernières avancées dans les sciences moléculaires. À travers le prisme de l'SNA, ce livre couvre les concepts et applications essentiels de l'assemblage de nanoparticules, de la distribution intracellulaire et des technologies d'acide nucléique.

Acide nucléique sphérique-une introduction à l'SNA, explorant ses propriétés uniques et son importance en nanotechnologie.

Auto-assemblage de nanoparticules-comprendre comment les nanoparticules peuvent s'organiser de manière autonome, formant des structures complexes.

Nanoparticules d'ADN-or polyvalentes-exploration des interactions entre l'ADN et les nanoparticules d'or, avec des applications dans les domaines du diagnostic et de la thérapeutique.

Distribution intracellulaire-examen des méthodes d'administration de nanoparticules et d'acides nucléiques dans des cellules vivantes à des fins médicales.

Nanoparticule-Présentation des différents types de nanoparticules, de leur synthèse et de leur rôle dans la technologie SNA.

Réplication par cercle roulant-Un examen approfondi du processus de réplication par cercle roulant et de ses applications dans la création de structures à base d'ADN.

Chad Mirkin-Un profil des contributions de Chad Mirkin au domaine des acides nucléiques sphériques et de la nanotechnologie de l'ADN.

Structure secondaire de l'acide nucléique-Examen approfondi de l'importance des structures secondaires dans les acides nucléiques et de leur impact sur la formation des SNA.

Niles Pierce-Exploration des contributions de Niles Pierce au développement de la nanotechnologie de l'ADN et de son impact sur la recherche sur les SNA.

Or colloïdal-Une discussion sur l'utilisation de l'or colloïdal dans les applications SNA, en particulier dans les diagnostics et l'administration de médicaments.

Nanotechnologie de l'ADN-Comprendre les principes de la nanotechnologie de l'ADN, en mettant l'accent sur ses applications dans la création de dispositifs moléculaires.

Nanoparticules lipidiques-examen du rôle des nanoparticules lipidiques dans l’administration de médicaments et la thérapie génique.

Nanoparticules de platine-étude de l’utilisation des nanoparticules de platine dans la technologie SNA, en particulier dans le traitement du cancer.

ADN triple brin-exploration de la création et de l’application de l’ADN triple brin dans le contexte des acides nucléiques sphériques.

Guangzhao Mao-hommage aux recherches et innovations de Guangzhao Mao dans la nanotechnologie de l’ADN et ses applications.

Acide nucléique peptidique-compréhension de l’acide nucléique peptidique et de son rôle dans l’amélioration de la fonctionnalité des systèmes à base de SNA.

Désoxyribozyme-focus sur les désoxyribozymes, leurs fonctions catalytiques et la manière dont ils s’intègrent à la technologie SNA.

Auto-assemblage-exploration des processus d’auto-assemblage en nanotechnologie et de leur rôle dans la création de structures complexes à base d’ADN.

Polyvalence (chimie)-Un aperçu de la polyvalence en chimie et de son importance dans le développement de systèmes SNA multifonctionnels.

Nanoparticules magnétiques-Étude du rôle des nanoparticules magnétiques dans l'administration de médicaments et l'imagerie moléculaire à l'aide de SNA.

Nanocristal semi-conducteur à cœur-coquille-Un aperçu des nanocristaux semi-conducteurs à cœur-coquille et de leurs applications dans la nanotechnologie de l'ADN.

• Langue: Français
• Éditeur: Un Milliard De Personnes Informées [French]
• Date de sortie: 10 mars 2025

Aperçu du livre

Chapitre 1 :Acide nucléique sphérique

Les acides nucléiques sphériques, également connus sous le nom de SNA, sont des nanostructures composées d'acides nucléiques linéaires disposés dans une forme sphérique tridimensionnelle. Ces acides nucléiques sont serrés et fortement orientés. Cette conception tridimensionnelle inhabituelle est responsable de nombreuses nouvelles caractéristiques chimiques, biologiques et physiques que possède le SNA, ce qui le rend important dans les domaines de la biomédecine et de la synthèse des matériaux. Le groupe dirigé par Chad Mirkin de l'Université Northwestern a été le premier à présenter le concept de SNA en 1996.

Normalement, il y a deux composantes qui composent la structure du SCN. Ces composants sont une coquille d'acide nucléique et un noyau de nanoparticules. La coquille d'acide nucléique est composée d'oligonucléotides synthétiques qui sont coupés courts et terminés par un groupe fonctionnel. Ces oligonucléotides peuvent être attachés au noyau de la nanoparticule par l'utilisation de ce groupe fonctionnel. Une orientation radiale distinctive autour du noyau de la nanoparticule est produite à la suite de la charge dense d'acides nucléiques à la surface de la particule. Cette orientation particulière aide à réduire la quantité de répulsion qui se produit entre les oligonucléotides chargés négativement.

Le premier acide aminé mononucléotidique (SNA) était constitué d'un noyau composé de nanoparticules d'or et d'une épaisse coquille composée de brins d'ADN terminés par un alcanotélien 3'. Des applications répétées de contre-ions salins ont été utilisées afin de réduire la répulsion électrostatique qui existait entre les brins d'ADN et de permettre à l'ADN d'être emballé à la surface des nanoparticules de manière plus efficace. Depuis lors, les noyaux inorganiques des SNA ont également été fabriqués à partir de matériaux tels que l'argent, l'oxyde de fer, la silice et les semi-conducteurs de divers fabricants. De plus, d'autres matériaux de base qui ont une biocompatibilité plus élevée ont été utilisés dans la création des SCN. Il s'agit notamment de micelles, de liposomes, de protéines et de nanoparticules de polymères PLGA qui ont été approuvés par la FDA. En utilisant des substances telles que l'ADN, le LNA et l'ARN, par exemple, il a été possible de produire des adaptations simple brin et double brin de ces matériaux.

Les types d'acides nucléiques unidimensionnels et bidimensionnels, tels que les brins simples, les duplex linéaires et les plasmides (illustrés à la figure 1), sont des pièces essentielles de la machinerie biologique responsable du stockage et de la transmission de l'information génétique. La base de ces fonctions est fournie par la spécificité des interactions de l'ADN, qui sont obtenues par l'appariement des bases Watson-Crick. Au cours de plusieurs décennies, les chercheurs et les ingénieurs ont réussi à synthétiser et, dans certains cas, à produire en masse des acides nucléiques afin de comprendre et d'utiliser ce modèle sophistiqué de reconnaissance chimique. Il est possible d'améliorer les capacités de reconnaissance des acides nucléiques en les disposant dans une géométrie sphérique, ce qui permet des interactions polyvalentes. En plus de la densité élevée et du degré d'orientation dont nous avons parlé précédemment, cette polyvalence [plus d'explications nécessaires] aide à expliquer pourquoi les SNA présentent des propriétés différentes par rapport à leurs constituants qui ont une dimension plus faible (Fig. 2).

Les propriétés d'un conjugué SNA se sont révélées être un mélange synergique de celles du noyau et de la coquille, selon des recherches menées au cours de vingt ans. Le noyau a deux objectifs : premièrement, il fournit de nouvelles propriétés physiques et chimiques au conjugué (telles que des propriétés plasmoniques, catalytiques, magnétiques et lumineuses), et deuxièmement, il agit comme un échafaudage pour l'assemblage et l'alignement des acides nucléiques. La coquille d'acide nucléique confère des capacités de reconnaissance chimique et biologique, telles qu'une force de liaison accrue, un comportement de fusion coopératif, une stabilité améliorée et une absorption cellulaire améliorée sans avoir besoin d'agents de transfection (par rapport à la même séquence d'ADN linéaire). Ces capacités sont réalisées sans avoir besoin d'agents de transfection. Il a été démontré qu'il est possible de réticuler les brins d'ADN à leurs bases, puis de dissoudre le noyau inorganique avec KCN ou I2 afin de produire une forme sans noyau (creux) de SNA (Fig. 3, à droite). Cette forme de SNA possède bon nombre des mêmes propriétés que le conjugué polyvalent original de nanoparticules d'or d'ADN (Fig. 3, à gauche).

La nanotechnologie de l'ADN et l'origami de l'ADN sont toutes deux des contributeurs importants au domaine des matériaux programmables guidés par les acides nucléiques ; néanmoins, les nanomatériaux d'acides nucléiques (SNA) habitent un espace matériel qui est différent de ces deux technologies en raison de leur structure et de leur fonction. Les événements d'hybridation de l'ADN sont les moyens par lesquels de telles structures sont créées par le processus de l'origami de l'ADN. D'autre part, la structure SNA peut être formée sans qu'il soit nécessaire de procéder à une hybridation ou à une séquence d'acide nucléique. Au lieu de cela, la synthèse de ces structures dépend de l'établissement de liaisons chimiques entre les nanoparticules et les ligands de l'ADN. De plus, l'origami d'ADN utilise les interactions d'hybridation de l'ADN afin de réaliser une structure finale, tandis que les SNA et d'autres formes d'acides nucléiques tridimensionnels (structures anisotropes modélisées avec des nanoparticules en forme de prisme triangulaire, de bâtonnet, d'octaèdre ou de dodécadèdre rhombique) utilisent le noyau de la nanoparticule afin d'organiser les composants linéaires des acides nucléiques dans des formes fonctionnelles. La forme du SNA est déterminée par le noyau de la particule, qui n'est pas une variable. De plus, les analogues mononucléotidiques (SNA) ne doivent pas être confondus avec leurs analogues monovalents, qui sont des molécules liées à un seul brin d'ADN. Cependant, ces structures conjuguées simple brin-nanoparticule ne présentent pas les caractéristiques distinctives des SNA, malgré le fait qu'elles ont conduit à des avancées notables à part entière.

Il a été suggéré que les SNA pourraient être utilisés comme matières médicinales. Malgré le fait qu'ils aient une charge négative importante, ils peuvent être absorbés par des cellules, qui sont également chargées négativement, en grandes quantités sans avoir besoin de coporteurs chargés positivement. De plus, ils sont efficaces en tant qu'agents de régulation des gènes dans les voies antisens et ARNi (Fig. 4). Contrairement à leurs homologues linéaires, les SNA ont le potentiel de complexifier les protéines réceptrices, ce qui facilite la réalisation de l'endocytose. C'est le mécanisme qui a été postulé.

Dans une étude de preuve de concept menée avec un modèle murin, il a été démontré que les SNA sont capables de délivrer de petits ARN interférents (siRNA) pour le traitement du glioblastome multiforme. L'un des gènes surexprimés dans les tumeurs du glioblastome s'appelle Bcl2Like12, et les SNA suppriment l'oncogène en le ciblant. Lorsqu'ils sont injectés par voie intraveineuse, les SNA sont capables de traverser la barrière hémato-encéphalique et d'arriver à leur emplacement prévu dans le cerveau. Dans le modèle animal, le traitement a conduit à une réduction de la taille de la tumeur qui était trois à quatre fois plus petite et à un pourcentage de survie qui était vingt pour cent plus élevé qu'auparavant. Grâce à la conception numérique de médicaments, cette méthode thérapeutique basée sur le SNA crée une plate-forme qui peut être utilisée pour le traitement d'une grande variété de maladies ayant un fondement génétique. Ceci est accompli en modifiant la séquence de l'acide nucléique sur un SNA afin de créer un nouveau médicament pour traiter la maladie.

Lorsqu'il s'agit de l'administration d'acides nucléiques immunomodulateurs, il est souhaitable que le SNA possède des qualités telles qu'une absorption cellulaire accrue, une liaison multivalente et un transport endosomal. Par exemple, les SNA ont été utilisés pour délivrer des acides nucléiques qui agonisent ou antagonisent les récepteurs de type Toll, qui sont des protéines impliquées dans le processus de signalisation du système immunitaire inné. Par rapport aux oligonucléotides libres qui ne sont pas sous forme de SNA, il a été démontré que l'utilisation des SNA immunostimulants entraîne une augmentation de la puissance quatre-vingts fois plus grande, des titres d'anticorps sept cents fois plus élevés, des réponses cellulaires à un antigène modèle quatre cents fois plus élevées et une amélioration du traitement des souris atteintes de lymphomes. Les SNA ont également été utilisés par Mirkin afin de promouvoir l'idée de « vaccinologie rationnelle », qui stipule que l'efficacité d'une immunothérapie est déterminée par la structure chimique de l'immunothérapie plutôt que par les seuls composants. Grâce à l'utilisation de cette idée, une nouvelle orientation structurelle a été mise sur le développement de vaccinations pour une grande variété de maladies. Une leçon particulièrement cruciale, en particulier dans le contexte de la COVID-19, est que cette découverte ouvre la possibilité que, avec des traitements antérieurs, les chercheurs disposaient des composants nécessaires dans la mauvaise configuration structurelle. Il s'agit d'une leçon particulièrement cruciale.

Les NanoFlares utilisent l'architecture SNA dans le but de détecter l'ARNm au niveau intracellulaire. Des brins d'ADN antisens terminés par un alcanonétien, qui sont complémentaires à un brin d'ARNm cible présent dans les cellules, sont fixés à la surface d'une nanoparticule d'or dans cette conception particulière. Après cela, des « brins rapporteurs » qui ont été marqués avec des fluorophores sont hybridés à la construction SNA afin de créer le NanoFlare. La figure 6 montre que la fluorescence des marqueurs fluorophores est supprimée lorsqu'ils sont rapprochés de la surface de l'or, qui est contrôlée par hybridation programmable des acides nucléiques.  Suite à l'absorption des NanoFlares par les cellules, les brins rapporteurs ont le potentiel de se déshybrider des NanoFlares lorsqu'ils sont remplacés par une séquence plus longue d'ARNm cible. Compte tenu du fait que les brins qui incluent la séquence rapporteure ont un chevauchement plus important de leur séquence nucléotidique avec l'ARNm cible, il est important de noter que la liaison de l'ARNm est biaisée thermodynamiquement. Après la libération du brin rapporteur, la fluorescence du colorant n'est plus supprimée par le noyau de la nanoparticule d'or, et une augmentation de la fluorescence est détectée. Ce n'est qu'en utilisant cette technologie pour la détection de l'ARN qu'il est possible de catégoriser les cellules vivantes en fonction du matériel génétique qu'elles contiennent.

En ce qui concerne l'association entre les intensités de fluorescence des sondes SmartFlare et les quantités d'ARN correspondants qui ont été déterminées par RT-qPCR, un article soulève quelques doutes sceptiques. Dans le cadre d'une autre recherche, l'applicabilité de SmartFlare a été étudiée dans les premiers concepts de chevaux, les cellules de fibroblastes dermiques équins et les vésicules trophoblastiques. Les chercheurs sont arrivés à la conclusion que les SmartFlares pourraient n'être utiles que pour des applications spécifiques. La capacité des nano-éruptions d'aptamères à se lier à des cibles moléculaires autres que l'ARNm intracellulaire a également été découverte au cours de cette recherche. Les aptamères, qui sont des séquences d'oligonucléotides qui se lient à des cibles avec un haut degré de spécificité et de sensibilité, ont été initialement appariés à la conception NanoFlare l'année suivante, en 2009. La disposition des aptamères en forme de SNA a conduit à une augmentation de l'absorption cellulaire ainsi qu'à la détection de variations physiologiquement significatives des niveaux d'adénosine triphosphate (ATP).

Les SNA ont été utilisés dans le développement d'une toute nouvelle discipline de la science des matériaux, qui est centrée sur l'utilisation des SNA comme blocs de construction synthétiquement programmables pour la fabrication de cristaux colloïdaux (Fig. 7). L'année 2011 a vu la publication d'une étude fondamentale dans la revue Science. Cet article décrivait un ensemble de directives de conception qui pourraient être utilisées pour créer des structures de super-réseau avec une précision inférieure au nm, ce qui permettrait une symétrie cristallographique et des paramètres de réseau adaptables.  Grâce à l'application du modèle de contact complémentaire (CCM) qui a été proposé dans cette étude, il est possible de faire une prédiction concernant la forme thermodynamiquement avantageuse qui maximisera le nombre de brins d'ADN hybridés (contacts) présents entre les minuscules particules.

Une analogie peut être établie entre les principes de Pauling pour les cristaux ioniques et les principes de conception pour les cristaux colloïdaux fabriqués avec de l'ADN. Cependant, ces derniers sont finalement plus puissants. Par exemple, lorsque des blocs de construction atomiques ou ioniques sont utilisés dans la production de matériaux, la structure cristalline, la symétrie et l'espacement sont tous définis par les rayons des atomes et l'électronégativité des atomes. D'autre part, avec le système basé sur les nanoparticules, la structure cristalline peut être modifiée indépendamment de la taille et de la composition des nanoparticules en modifiant uniquement la longueur et la séquence de l'ADN couplé à ce qui est attaché. En conséquence, les éléments constitutifs des nanoparticules qui ont la géométrie SNA sont souvent appelés « équivalents atomiques programmables » (PAE). La mise en œuvre de cette méthode a permis de créer de nouvelles structures cristallines pour une variété de systèmes de matériaux, y compris des structures cristallines qui n'ont pas d'équivalents naturels impliqués. À ce jour, plus de cinquante symétries cristallines distinctes ont été réalisées par l'utilisation de l'ingénierie cristalline colloïdale à l'aide de