Des moteurs à ADN informatisés et roulants font passer la robotique moléculaire au niveau supérieur

Des moteurs à ADN informatisés et roulants font passer la robotique moléculaire au niveau supérieur

La vitesse élevée du moteur à base d’ADN roulant permet à un simple microscope de téléphone intelligent de capturer son mouvement par vidéo. Crédit : Université Emory

Les chimistes ont intégré des fonctions informatiques dans des moteurs roulants basés sur l’ADN, ouvrant un nouveau domaine de possibilités pour les robots moléculaires miniatures. Nanotechnologie de la nature a publié le développement, les premiers moteurs basés sur l’ADN qui combinent la puissance de calcul avec la capacité de brûler du carburant et de se déplacer dans une direction intentionnelle.

“L’une de nos grandes innovations, au-delà de la capacité des moteurs à ADN à effectuer des calculs logiques, consiste à trouver un moyen de convertir ces informations en un simple signal de sortie, avec ou sans mouvement”, explique Selma Piranej, titulaire d’un doctorat de l’Université Emory. candidat en chimie, et premier auteur de l’article. “Ce signal peut être lu par toute personne détenant un téléphone portable équipé d’un accessoire grossissant bon marché.”

“La percée de Selma supprime les principaux obstacles qui empêchaient de rendre les ordinateurs à ADN utiles et pratiques pour une gamme d’applications biomédicales”, déclare Khalid Salaita, auteur principal de l’article et professeur de chimie Emory à l’Université Emory. Salaita fait également partie de la faculté du département de génie biomédical Wallace H. Coulter, un programme conjoint de Georgia Tech et Emory.

Les moteurs peuvent détecter des informations chimiques dans leur environnement, traiter ces informations, puis réagir en conséquence, imitant certaines propriétés de base des cellules vivantes.

“Les ordinateurs ADN précédents n’avaient pas de mouvement dirigé intégré”, explique Salaita. “Mais pour obtenir des opérations plus sophistiquées, vous devez combiner à la fois le calcul et le mouvement dirigé. Nos ordinateurs à ADN sont essentiellement des robots autonomes dotés de capacités de détection qui déterminent s’ils bougent ou non.”

Les moteurs peuvent être programmés pour répondre à un pathogène spécifique ou à une séquence d’ADN, ce qui en fait une technologie potentielle pour les tests et diagnostics médicaux. Une autre avancée clé est que chaque moteur peut fonctionner indépendamment, dans le cadre de différents programmes, tout en étant déployé en groupe. Cela ouvre la porte à un seul réseau massif de moteurs de la taille d’un micron pour effectuer une variété de tâches et effectuer une communication moteur à moteur.

“La capacité des moteurs à ADN à communiquer entre eux est une étape vers la production du type d’action complexe et collective générée par des essaims de fourmis ou de bactéries”, explique Salaita. “Cela pourrait même conduire à des propriétés émergentes.”

La nanotechnologie de l’ADN tire parti de l’affinité naturelle des bases d’ADN A, G, C et T pour s’apparier. En déplaçant la séquence de lettres sur des brins synthétiques d’ADN, les scientifiques peuvent obtenir que les brins se lient de manière à créer différentes formes et même à construire des machines fonctionnelles.

Le laboratoire Salaita, un chef de file en biophysique et en nanotechnologie, a développé le premier moteur roulant basé sur l’ADN en 2015. L’appareil était 1 000 fois plus rapide que tout autre moteur synthétique, accélérant le domaine en plein essor de la robotique moléculaire. Sa vitesse élevée permet à un simple microscope de téléphone intelligent de capturer son mouvement par vidéo.

Le “châssis” du moteur est une sphère de verre de la taille d’un micron. Des centaines de brins d’ADN, ou “jambes”, sont autorisés à se lier à la sphère. Ces pattes d’ADN sont placées sur une lame de verre recouverte de l’ARN réactif, le carburant du moteur. Les pattes d’ADN sont attirées vers l’ARN, mais dès qu’elles y posent le pied, elles l’effacent grâce à l’activité d’une enzyme qui est liée à l’ADN et ne détruit que l’ARN. Au fur et à mesure que les jambes se lient puis se libèrent du substrat, elles continuent de guider la sphère.

Lorsque Piranej a rejoint le laboratoire de Salaita en 2018, elle a commencé à travailler sur un projet visant à faire passer les moteurs roulants au niveau supérieur en intégrant une logique de programmation informatique.

“C’est un objectif majeur dans le domaine biomédical de tirer parti de l’ADN pour le calcul”, déclare Piranej. “J’adore l’idée d’utiliser quelque chose d’inné en chacun de nous pour concevoir de nouvelles formes de technologie.”

L’ADN est comme une puce informatique biologique, stockant de grandes quantités d’informations. Les unités de fonctionnement de base pour le calcul de l’ADN sont de courts brins d’ADN synthétique. Les chercheurs peuvent modifier le “programme” de l’ADN en modifiant les séquences d’AGTC sur les brins.

“Contrairement à une puce de silicium dure, les ordinateurs et les moteurs basés sur l’ADN peuvent fonctionner dans l’eau et d’autres environnements liquides”, explique Salaita. “Et l’un des grands défis de la fabrication de puces informatiques en silicium consiste à essayer de regrouper plus de données dans un encombrement de plus en plus réduit. L’ADN offre la possibilité d’exécuter de nombreuses opérations de traitement en parallèle dans un très petit espace. La densité des opérations que vous pourriez exécuter pourrait même aller à l’infini.”

L’ADN synthétique est également biocompatible et peu coûteux à fabriquer. “Vous pouvez répliquer l’ADN à l’aide d’enzymes, en le copiant et en le collant autant de fois que vous le souhaitez”, explique Salaita. “C’est pratiquement gratuit.”

Des limites subsistent cependant dans le domaine naissant du calcul de l’ADN. Un obstacle clé est de rendre la sortie des calculs facilement lisible. Les techniques actuelles reposent fortement sur le marquage de l’ADN avec des molécules fluorescentes, puis sur la mesure de l’intensité de la lumière émise à différentes longueurs d’onde. Ce procédé nécessite un équipement coûteux et encombrant. Il limite également les signaux pouvant être lus à ceux présents dans le spectre électromagnétique.

Bien que formé en tant que chimiste, Piranej a commencé à apprendre les bases de l’informatique et à se plonger dans la littérature sur la bio-ingénierie pour tenter de surmonter cet obstacle. Elle a eu l’idée d’utiliser une réaction bien connue en bio-ingénierie pour effectuer le calcul et de l’associer au mouvement des moteurs roulants.

La réaction, connue sous le nom de déplacement de brin médié par le pied, se produit sur l’ADN duplex – deux brins complémentaires. Les brins se serrent étroitement les uns contre les autres, à l’exception d’une extrémité lâche et souple d’un brin, connue sous le nom de prise d’orteil. Le moteur de roulement peut être programmé en le recouvrant d’ADN duplex complémentaire d’une cible d’ADN – une séquence d’intérêt. Lorsque le moteur moléculaire rencontre la cible d’ADN alors qu’il roule le long de sa piste d’ARN, la cible d’ADN se lie à la prise d’orteil de l’ADN duplex, la sépare et ancre le moteur en place. L’ordinateur lu devient simplement “mouvement” ou “pas de mouvement”.

“Quand j’ai vu ce concept fonctionner pour la première fois lors d’une expérience, j’ai produit ce son très fort et excité”, se souvient Piranej. “Un de mes collègues est venu et m’a demandé : ‘Est-ce que ça va ?’ Rien n’est comparable à voir votre idée prendre vie comme ça. C’est un grand moment.”

Ces deux portes logiques de base de “mouvement” ou “pas de mouvement” peuvent être reliées pour construire des opérations plus compliquées, imitant la façon dont les programmes informatiques réguliers s’appuient sur les portes logiques de “zéro” ou “un”.

Piranej a poussé le projet encore plus loin en trouvant un moyen de regrouper de nombreuses opérations informatiques différentes tout en lisant facilement la sortie. Elle a simplement fait varier la taille et les matériaux des sphères microscopiques qui forment le châssis des moteurs roulants à base d’ADN. Par exemple, les sphères peuvent varier de trois à cinq microns de diamètre et être faites de silice ou de polystyrène. Chaque altération fournit des propriétés optiques légèrement différentes qui peuvent être distinguées à travers un microscope de téléphone portable.

Le laboratoire Salaita travaille à établir une collaboration avec des scientifiques du Atlanta Center for Microsystems Engineered Point-of-Care Technologies, un centre financé par les NIH et créé par Emory et Georgia Tech. Ils explorent le potentiel d’utilisation de la technologie de calcul de l’ADN pour le diagnostic à domicile du COVID-19 et d’autres biomarqueurs de maladies.

“Le développement d’appareils pour des applications biomédicales est particulièrement gratifiant car c’est une chance d’avoir un impact important sur la vie des gens”, déclare Piranej. “Les défis de ce projet l’ont rendu plus amusant pour moi”, ajoute-t-elle.


Un ordinateur à ADN utilisant des billes de verre augmente la puissance de traitement parallèle


Plus d’information:
Selma Piranej et al, calcul moléculaire chimique à mécanique utilisant des moteurs à base d’ADN avec logique embarquée, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01080-w

Fourni par l’Université Emory

Citation: Des moteurs à ADN roulants informatisés font passer la robotique moléculaire au niveau supérieur (7 avril 2022) récupéré le 7 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-computerized-dna-motors-molecular-robotics.html

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