Les scientifiques ont construit des «gouttelettes d’ADN» comprenant des nanostructures d’ADN conçues

Dans les organismes vivants, l’ADN est l’unité de stockage de toutes les informations génétiques. C’est avec cette information que les protéines sont codées, ce qui permet ensuite aux systèmes biologiques de fonctionner selon les besoins pour que l’organisme survive. Le fonctionnement de l’ADN est rendu possible par sa structure: une hélice double brin formée par la jonction de paires spécifiques de molécules appelées «nucléotides» dans des ordres spécifiques, appelées «séquences». Au cours des dernières décennies, les scientifiques dans les domaines de la nanotechnologie de l’ADN ont pu concevoir des séquences d’ADN pour construire les nanostructures et microstructures souhaitées, qui peuvent être utilisées pour étudier les fonctions biomoléculaires ou créer des systèmes de cellules artificielles.

La personnalisation des conceptions de séquences en nanotechnologie de l’ADN permet également de contrôler et de programmer les interactions entre les molécules d’ADN. Les interactions inter-moléculaires dans les cellules provoquent divers phénomènes. Un phénomène appelé «séparation de phase liquide-liquide (LLPS)» – la séparation d’un liquide en une phase plus dense de gouttelettes dans une phase plus diluée – joue un rôle important dans de nombreux processus biologiques. Les LLPS induits artificiellement via la nanotechnologie de l’ADN peuvent aider à approfondir notre compréhension de l’applicabilité des LLPS et fournir une méthodologie pour contrôler les gouttelettes bio-macromoléculaires.

Par conséquent, une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, dirigée par le professeur Masahiro Takinoue, a conçu des nanostructures d’ADN spécifiques pour comprendre l’influence des séquences d’ADN et démontrer la contrôlabilité des LLPS – en phases riches en ADN et pauvres en ADN – dans des nanostructures d’ADN conçues artificiellement.

Leur étude, publiée dans Avancées scientifiques, a impliqué la construction de nanostructures d’ADN en forme de Y appelées « motifs Y ». Chaque côté d’un motif en Y comprend une courte extrémité collante qui interagit avec d’autres extrémités collantes «compatibles» (Fig. 1a). En diminuant progressivement la température, les scientifiques ont découvert que les motifs Y s’agglomèrent de manière réversible pour former des gouttelettes puis des gels.

Lorsqu’ils ont ajouté un autre ensemble de motifs Y construits avec des extrémités collantes incompatibles avec l’ensemble précédent, deux ensembles de gouttelettes ont été formés pour chaque type de motif Y. Cela a démontré que les séquences d’ADN peuvent être adaptées pour fusionner exclusivement avec des séquences similaires.

Le professeur Takinuoe et son équipe ont ensuite créé une structure d’ADN spéciale qui peut relier les motifs Y incompatibles. En l’ajoutant au mélange de motifs Y, des gouttelettes composées des deux motifs se sont formées. La poursuite de la construction d’une variante clivable de la structure d’ADN de pont spécial et l’ajout ultérieur d’une certaine enzyme de clivage ont provoqué la fission des gouttelettes (figures 1d et 2c) et les gouttelettes mixtes se sont séparées en gouttelettes en forme de Janus avec des moitiés non mélangables contenant les deux types du motif Y (figures 1e et 2d). En conjuguant les molécules de cargaison avec des brins d’ADN compatibles avec l’un ou l’autre type de motif Y, les scientifiques ont pu localiser les molécules de cargaison exclusivement sur la moitié de la gouttelette.

Ainsi, les scientifiques ont pu «programmer» l’ADN et «contrôler» leur comportement, ouvrant les portes à une nouvelle technique de création d’environnements de réaction artificiels pour étudier les systèmes biologiques et l’administration de médicaments. Le professeur Takinoue explique: « Les systèmes vivants sont des structures dynamiques bien organisées dont le comportement est régulé par les informations codées dans les biopolymères (tels que l’ADN). Notre système de séparation de phases liquide-liquide à base d’ADN pourrait fournir une nouvelle base pour le développement de cellules artificielles ingénierie. »

Parce que des séquences d’ADN précises peuvent être facilement produites en utilisant les techniques de bio-ingénierie disponibles, les applications potentielles de la manipulation des comportements des matériaux par le biais de séquences d’ADN sont d’une grande portée. Le professeur Takinoue conclut: « Le comportement de phase montré dans cette étude pourrait être étendu à d’autres matériaux qui peuvent être modifiés avec de l’ADN, ce qui pourrait nous permettre de concevoir des phases et de créer des gouttelettes pour divers matériaux. De plus, nous envisageons que le comportement autonome observé des macromoléculaires les structures pourraient un jour servir au développement de systèmes moléculaires robotiques comparables à ceux des cellules vivantes.  »