Des chercheurs de l’Okinawa Graduate University of Science and Technology (OIST) ont utilisé des brins microscopiques d’ADN pour guider l’assemblage d’amas de gel visibles à l’œil nu.
Les scientifiques rapportent aujourd’hui que les blocs d’hydrogel, qui mesurent jusqu’à 2 mm de long et contiennent de l’ADN à leur surface, s’auto-assemblent en 10 à 15 minutes environ lorsqu’ils sont mélangés dans une solution. Journal de l’American Chemical Society.
Nous pensons que ces amas d’hydrogel sont de loin les plus gros objets qui ont été programmés par l’ADN pour former des structures structurées. »
Dr Vyankat Sontake, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral, Unité OIST pour la chimie et l’ingénierie des acides nucléiques
Le processus d’auto-assemblage – dans lequel une structure organisée se forme spontanément lorsque deux ou plusieurs composants individuels interagissent – est si courant dans la nature que les cellules et l’ADN peuvent s’auto-assembler en structures microscopiques incroyablement complexes. Mais utiliser des interactions qui se produisent au niveau moléculaire pour diriger l’assemblage d’objets macroscopiques (au sens visible à l’œil nu) est un domaine de recherche relativement nouveau, notamment avec l’ADN.
« Nous avons choisi l’ADN parce qu’il est hautement programmable et qu’il le doit à sa remarquable capacité à reconnaître des séquences », a déclaré l’auteur principal, le professeur Yohei Yokobayashi, qui dirige l’unité de chimie et d’ingénierie des acides nucléiques.
L’ADN double brin est constitué de deux simples brins d’ADN qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une double hélice. Les fils sont maintenus ensemble en entrelaçant les bases, qui s’emboîtent comme un puzzle (A avec T et C avec G). Cette capacité spécifique à l’appariement des bases signifie que les scientifiques peuvent concevoir des brins d’ADN qui correspondent précisément à d’autres brins et se lieront ensemble.
Dans une expérience, les chercheurs ont attaché des molécules d’ADN simple brin à la surface de blocs d’hydrogel rouges et verts. Les brins d’ADN sur les blocs rouges sont identiques aux brins d’ADN sur les blocs verts.
Lorsque les blocs d’hydrogel sont secoués en solution, les brins d’ADN correspondants sont couplés ensemble, agissant comme une « colle » qui maintient les blocs rouges et verts ensemble. Au bout de dix minutes, les blocs séparés s’auto-assemblent en une simple structure ramifiée de couleurs alternées.
Fait important, les brins d’ADN n’ont pas interagi avec les brins d’ADN identiques sur les autres blocs, de sorte que les blocs d’hydrogel de la même couleur ne se sont pas collés.
Les scientifiques ont également testé la capacité de l’ADN à ne reconnaître que des séquences spécifiques, en concevant quatre paires de brins correspondants. Ils ont attaché des supports individuels de la première paire appariée à la surface des cubes d’hydrogel rouges. Le même processus a été effectué pour les cubes d’hydrogel vert, bleu et jaune.
Lorsqu’ils sont vibrés ensemble, malgré la présence de nombreuses séquences d’ADN différentes, les brins ne se lient qu’à leur brin correspondant, ce qui donne des amas d’hydrogel préalablement mélangés qui s’auto-ségrégent en amas de la même couleur.
Le professeur Yokobayashi a déclaré: « Cela montre que le processus d’auto-assemblage est très spécifique et peut être facilement programmé. En modifiant simplement la séquence d’ADN, nous pouvons diriger les blocs pour qu’ils interagissent les uns avec les autres de différentes manières. »
En plus de l’auto-assemblage, les chercheurs ont également étudié s’ils pouvaient utiliser l’ADN pour programmer le démontage de la structure. Ils ont créé deux simples brins d’ADN identiques, puis ont créé un troisième brin plus court qui correspondait à une partie du premier. Ils ont attaché le premier brin, et le brin plus court identique, à des cubes d’hydrogel, qui s’auto-assemblent lorsqu’ils sont mélangés en solution. Le brin d’ADN le plus long correspondant au premier brin a ensuite été ajouté à la solution et pendant une heure, le brin le plus long a délogé le brin le plus court, provoquant le démêlage des cubes.
« C’est vraiment excitant car cela signifie qu’en utilisant l’ADN comme « colle » pour coller les blocs d’hydrogel ensemble, le processus est complètement réversible », a déclaré le Dr Sontake. « Cela signifie que les composants individuels peuvent également être réutilisés. »
Alors que les structures formées jusqu’à présent sont simples, les chercheurs espèrent ajouter plus de complexité en augmentant le nombre de cubes différents qui sont incorporés dans la structure et en ciblant différents brins d’ADN de faces cubiques spécifiques. Ils prévoient également d’augmenter le volume de blocs d’hydrogel.
« Il s’agit encore de recherche fondamentale, mais à l’avenir, ces techniques pourraient être utilisées dans l’ingénierie tissulaire et la médecine régénérative », a déclaré le professeur Yokobayashi. «Il peut être possible de placer différents types de cellules à l’intérieur de cubes d’hydrogel, qui peuvent ensuite s’assembler dans les structures tridimensionnelles complexes nécessaires à la croissance de nouveaux tissus et organes.
« Mais », a-t-il ajouté. « Indépendamment des applications potentielles, il est étonnant de pouvoir voir la chimie aussi microscopique que l’interaction des brins d’ADN avec nos propres yeux. C’est vraiment une science amusante. »
la source:
Référence de la revue :
Sontakke, VA & Yokobayashi, Y., (2022) Auto-assemblage macroscopique programmable d’hydrogels décorés d’ADN. Journal de l’American Chemical Society. doi.org/10.1021/jacs.1c10308.
