Des nanomachines autonomes inspirées de la nature

Représentation artistique d’une nanomachine à ADN avec cargaison de protéines, entourée d’autres sous-unités protéiques en solution. Crédit : Jonathan Berengut

Inspirés par la façon dont les molécules interagissent dans la nature, les chercheurs médicaux de l’UNSW conçoivent des machines polyvalentes à l’échelle nanométrique pour permettre une plus grande gamme fonctionnelle.

Pour résister aux conditions difficiles au sein des organismes vivants, les machines moléculaires doivent être construites de manière durable pour un fonctionnement continu sur de longues périodes. Dans le même temps, ils doivent s’adapter à des besoins différents et à leur environnement changeant en échangeant rapidement des composants moléculaires pour reconfigurer les machines.

Une équipe, dirigée par A/Prof. Lawrence Lee de UNSW Medicine & Health’s EMBL Australia Node in Single Molecule Science, explique comment ils ont conçu et construit des machines moléculaires à échange rapide avec stabilité dans le journal ACS Nano.

“Nous avons adopté une approche de biologie synthétique à ce problème en construisant une machine nanoscopique artificielle utilisant des composants d’ADN et de protéines. Pouvoir échanger des sous-unités augmente la fonctionnalité, tout comme nous l’avons observé en biologie”, a déclaré A / Prof. Lee, École des sciences médicales de l’UNSW et chercheur au Centre d’excellence en biologie synthétique de l’ARC.

Lui et son équipe ont conçu des machines moléculaires en pliant des brins d’ADN en formes tridimensionnelles, une technique appelée origami d’ADN. Ils ont montré que leurs nanomachines à ADN pouvaient transporter à la fois des cargaisons d’ADN et de protéines, et seraient généralement compatibles avec d’autres biomolécules et nanoparticules. La cargaison se lie à plusieurs sites au récepteur d’ADN et peut être déplacée par une nouvelle cargaison via un processus de liaison compétitive, lorsqu’une autre cargaison est présente en solution.

Un exemple d’une des machines de la nature qui incarne le paradoxe de la stabilité et de l’échange rapide est une machine cellulaire qui fait des copies de l’ADN – le réplisome de l’ADN. Le mécanisme d’échange compétitif utilisé par le réplisome pour obtenir simultanément ces propriétés opposées a été proposé dans une publication antérieure dans Recherche sur les acides nucléiques de l’équipe du Pr. Antoine van Oijen de l’Université de Woollongong, qui est également co-auteur de l’étude actuelle.

A/Prof. Lee et son équipe ont maintenant donné vie à cette théorie en utilisant la nanotechnologie de l’ADN et l’ingénierie des protéines. “C’est le premier système synthétique qui utilise ce principe dit d'”échange concurrentiel multi-sites””, a-t-il déclaré.

D’autres mécanismes ont été rapportés qui confèrent la double propriété de robustesse et d’échange rapide, mais jusqu’à présent, cette dichotomie n’était pas possible avec d’autres biomolécules.

“Jusqu’à présent, toutes les machines moléculaires synthétisées à l’aide de la nanotechnologie de l’ADN sont actionnées par l’échange d’un brin d’ADN, mais échanger uniquement de l’ADN est un peu limitant. Nos découvertes élargissent la complexité fonctionnelle disponible pour la nanotechnologie de l’ADN”, a déclaré A / Prof. Lee.

Il croit qu’il existe une abondance de connaissances dans la nature que les chercheurs en nanotechnologie peuvent exploiter. “L’échange rapide et le maintien d’une stabilité élevée semblent être deux états incompatibles, mais il y a tellement de machines à l’échelle nanométrique de la nature qui se comportent de cette façon.”

Le domaine de la nanotechnologie de l’ADN en est encore à ses balbutiements. Bien qu’il existe de nombreux autres défis de conception à surmonter pour que les chercheurs puissent réaliser le plein potentiel des machines moléculaires, la capacité de créer des machines capables d’agir de manière autonome et de s’adapter aux changements de l’environnement en remplaçant différentes biomolécules est un grand pas vers une gamme d’applications, de la construction de matériaux intelligents réactifs au ciblage de l’administration de médicaments thérapeutiques dans les cellules malades, et bien plus encore.


Comment les chimistes construisent des chaînes d’assemblage moléculaires


Plus d’information:
James WP Brown et al, Rapid Exchange of Stably Bound Protein and DNA Cargo on a DNA Origami Receptor, ACS Nano (2022). DOI : 10.1021 / acsnano.2c00699

Fourni par l’Université de Nouvelle-Galles du Sud

Citation: Nanomachines autonomes inspirées par la nature (2022, 23 mars) récupéré le 24 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-autonomous-nanomachines-nature.html

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