Nanoparticules d'argent et origami d'ADN : des avancées qui accélèrent l'assemblage et la nanofabrication de l'ADN

De nouvelles recherches font progresser l'assemblage et la fabrication de structures d'ADN. Des scientifiques au Japon ont développé une méthode à base de nanoparticules d'argent pour couper et joindre l'ADN, tandis que des chercheurs au Texas ont découvert des principes de conception qui rendent le repliement de l'origami d'ADN plus fiable. La technique japonaise améliore l'efficacité de l'assemblage de l'ADN de deux à cinq fois et s'est révélée fonctionner dans des cellules vivantes, tandis que les découvertes sur l'origami d'ADN pourraient rendre la production de matériaux nanométriques plus rapide et plus facile.

La méthode d'épissage par nanoparticules d'argent a été développée par des chercheurs de l'Université de Nagoya et de l'Université de Gifu, et publiée dans Nucleic Acids Research. L'épissage traditionnel de l'ADN repose sur des enzymes de restriction et des extrémités cohésives, mais ces enzymes manquent souvent de précision et produisent des jonctions non optimales. L'équipe japonaise a plutôt utilisé des réactions chimiques avec des nanoparticules d'argent, s'appuyant sur des recherches des années 1990 qui utilisaient des ions d'argent pour couper l'ADN modifié en 3′-thiol, mais n'obtenaient qu'un taux de récupération de 14 % en raison d'une liaison non spécifique. En remplaçant les ions par des nanoparticules, les chercheurs ont pu éliminer l'argent par centrifugation, améliorant considérablement la récupération.

Les premières tentatives se sont heurtées à un autre obstacle : l'obtention d'une efficacité de coupure élevée nécessitait des températures et des durées qui endommageaient l'ADN. À 70 °C, l'ADN n'atteignait que 50 % d'efficacité, et il fallait deux heures à 95 °C pour approcher 100 % d'efficacité. L'enrobage des nanoparticules d'argent avec du polyéthylène glycol (PEG) a augmenté l'efficacité de 36 % à 92 % à 37 °C sur deux heures. Après optimisation, l'équipe a obtenu une efficacité de coupure supérieure à 91 % à 50 °C en une à deux heures. La nouvelle technique améliore l'efficacité de l'assemblage de l'ADN de deux à cinq fois. Les chercheurs ont réussi à introduire un fragment d'ADN dans des cellules vivantes, confirmant l'expression d'un gène de protéine fluorescente verte. Leurs prochains objectifs comprennent la vérification de la reproductibilité sur une large gamme de séquences, l'extension à des ADN plus longs, le développement de protocoles sous forme de kits, et l'extension de la technique à l'assemblage d'ADN à l'échelle du génome, aux bibliothèques d'ARNm et à l'ADN codant pour des protéines thérapeutiques à longue chaîne.

Dans une étude distincte publiée dans Small, des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont systématiquement analysé comment les choix de conception affectent le repliement de l'origami d'ADN, une technique qui utilise des brins d'ADN pour s'auto-assembler en formes programmables. À l'aide de mesures de fluorescence en temps réel, de microscopie électronique et de modélisation théorique, ils ont identifié les forces énergétiques qui déterminent si une structure s'assemble correctement. Le repliement dépend d'un équilibre entre les interactions de liaison à l'ADN favorables et les coûts énergétiques défavorables associés à la formation de boucles. L'équipe a également constaté que la « coopérativité » — la manière dont différentes parties de la structure s'influencent mutuellement pendant l'assemblage — joue un rôle central. Réduire le nombre de connexions inter-hélicoïdales dans la conception augmente le comportement coopératif et améliore les rendements de repliement, tandis que simplement renforcer la liaison entre les brins est moins efficace car cela introduit des pénalités entropiques.

Dans le cadre de ces travaux, les chercheurs ont créé ce qu'ils pensent être le plus petit logo Longhorn jamais réalisé : une structure entièrement constituée d'ADN, mesurant environ 100 nanomètres de large et 2 nanomètres d'épaisseur. Elle est des milliers de fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu humain, et environ 10 millions de minuscules Longhorns pourraient tenir dans le volume d'un grain de sable. L'équipe a également démontré une amélioration pratique : en utilisant un processus de chauffage-refroidissement plus court et plus ciblé durant une à deux heures au lieu d'un processus traditionnel de plusieurs jours, ils ont augmenté les rendements d'assemblage jusqu'à 17 % et fabriqué des millions de copies en moins de deux heures. Ces résultats fournissent un cadre plus clair pour concevoir des nanostructures d'ADN avec une efficacité et une fiabilité accrues, ce qui pourrait accélérer les applications en médecine, en électronique et en science des matériaux.