Utilisations cachées de l'ADN

2020/07/15 Beñat Olave Fernández - EHUko ikertzailea | Mikel Gartziarena San Policarpo - EHUko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Acide désoxyribonucléique, quel nœud de bouche ! En plus de la bouche, la structure qu'il adopte dans nos cellules est complexe, car en quelques micromètres cubes un ADN est introduit qui peut atteindre une longueur de deux mètres. Cependant, l'image que nous pouvons imaginer est loin de l'ordre présenté par l'ADN, car elle s'intègre parfaitement dans le noyau de la cellule avec des instructions complexes de quatre lettres formant l'ADN (Figure 1).

Selon les experts, la molécule indispensable à la vie est née dans la nature il y a des milliards d'années, et jusqu'au début du siècle dernier ses quatre unités de répétition n'ont pas été identifiées: adénine (A), guanine (G), cytosine (C) et timine (T). Plus tard, XX. au milieu du siècle a été décrite la structure la plus commune de l'ADN: la double hélice. Depuis lors, la recherche des acides nucléiques a pris la vitesse de la lumière et s'est développée jusqu'à ce qu'à la fin du siècle le champ de recherche de la nanotechnologie de l'ADN ait été gesté. Non seulement l'ADN constituerait une partie essentielle des êtres vivants, mais il deviendrait un matériau d'autres applications non biologiques[1].

Facultés de l'ADN

La première proposition était l'application de l'ADN hors de la nature pour former des nanostructures. En fait, l'ADN génère des liens entre ses chaînes de manière très spécifique, par des ponts d'hydrogène : Combiner les lettres A avec les lettres T et les lettres G avec les lettres C. Cela permet de concevoir avec précision la nanoéchelle, comme c’est le cas de la technique d’origami de l’ADN[2]. Cette technique, présentée il y a une décennie, et en tenant compte d'un simple programme informatique et les connexions de l'ADN, on peut créer les constructions souhaitées, comme on peut le voir dans la figure 2. Cependant, l'ADN n'est pas une brique simple pour créer des nanostructures, parmi ses lettres se trouvent d'autres fonctions.

Imaginez que vous voulez construire une maison avec le même type de matériau, mais pour que les groupes de briques que vous voulez effectuer une tâche spécifique comme la capture des agents pathogènes de l'air. Ceci peut être fait avec des nanostructures générées par ADN. En fait, l'ADN a la capacité de détecter des molécules ou des macromolécules spécifiquement et nous pouvons concevoir le composé désiré. Comment est-il possible ? Comme déjà indiqué, l'ADN n'a que quatre types d'unités de répétition: A, G, C et T. Mais en changeant l'ordre et la longueur de la séquence de ces lettres, nous pouvons obtenir des combinaisons illimitées. Grâce à la procédure SELEX[3], nous pouvons obtenir une séquence qui génère des liens avec la molécule cible.

Le type d'ADN avec capacité de détection est appelé aptamère et, en outre, l'ADN a une capacité supplémentaire d'accélération des réactions chimiques. Ces dernières sont appelées enzymes ADN ou ADN catalytiques et, comme avec les aptamers, la procédure SELEX permet d'obtenir la séquence nécessaire pour chaque condition de réaction. Les aptamères et les enzymes ADN font partie du groupe d'ADN fonctionnel, augmentant considérablement la valeur de l'ADN en tant que nanomatériaux. Cependant, l'ADN n'est pas un matériau parfait, car certaines propriétés nécessaires dans la nature peuvent limiter l'ADN nanotechnologique.

En fait, l'ADN est une molécule chargée, chargée négativement par des groupes de phosphates, qui a besoin de contreparties pour maintenir un formage stable. En outre, l'ADN se dégrade rapidement dans le milieu aquatique ou en présence d'enzymes dans l'air. A l'intérieur de la cellule, l'ADN se trouve dans un environnement très contrôlé, où l'activité de l'eau et le contact avec d'autres molécules sont limités, bien que lorsque l'on lui donne une autre application, la perte de l'échantillon peut se produire en quelques jours ou mois. D'autre part, en plus de l'eau, l'ADN est stable et fonctionnel dans quelques solvants, car on sait que l'eau et la vie ont toujours été en relation étroite avec notre planète.

Ces limitations peuvent être partiellement dépassées, mais il reste encore beaucoup d'études à développer. Il existe deux domaines de recherche pour faire face à des situations imprévues par la nature: Transformation du milieu dans lequel l'ADN est dissous ou changements dans la structure de l'ADN. Quant au premier, il tente de réduire l’activité de l’eau par la simulation du milieu cellulaire[4] ou d’autres solvants comme liquides ioniques[5]. D'autre part, il existe dans la nature deux types d'acides nucléiques, l'ADN et l'acide ribonucléique (ARN). Dans la dernière décennie, les premiers acides nucléiques synthétiques[6] ont été présentés pour faire face aux problèmes de solvatation et de dégradation (Figure 3), bien que le problème à coût économique élevé persiste et qu'il est plus facile d'effectuer des changements chimiques dans la molécule d'ADN que d'utiliser un nouvel acide nucléique.

Utilisation de l'ADN hors du domaine biologique

Actuellement, la plupart des applications sont de type médical, parmi lesquelles la somme de nanostructures et de nanoparticules d'ADN pour le transport et l'administration de médicaments dans le corps ou comme marqueurs biologiques. Cependant, l'utilisation de l'ADN, en dehors de la biologie, a beaucoup à voir dans de nombreux autres domaines.

La somme des forces est la cause de l'extraordinaire capacité, et la somme des propriétés structurelles de l'ADN et des capacités perceptives et catalytiques donne lieu à des applications qui ne peuvent être obtenues avec d'autres matériaux comme les réponses de stimulation. Les membranes sont des matériaux poreux qui séparent deux moyens. Comme la taille des pores des membranes dans les processus industriels spécifiques est de quelques nanomètres, il est souvent très intéressant de pouvoir ouvrir et fermer les pores à votre goût. Normalement, la fermeture des pores se fait par des changements dans tout l'environnement: pH, température, pression, etc. Cependant, les conceptions d'ADN permettent d'utiliser un agent local pour contrôler la perméabilité des pores. Plus précisément, dans les pores, on peut placer des nanostructures formées par des aptamers pour fermer et ouvrir le pore avec une molécule spécifique, puisque la conformation de l'ADN change lors de la détection de la molécule[7] (image superficielle).

Les enzymes ADN, comme déjà mentionné, accélèrent les réactions chimiques et provoquent en outre la quiralité pour atteindre la soi-disant catalyse asymétrique. Ce type de catalyse est très important et a une forte demande sur le marché, car de nombreux composés chimiques sont des énantiomères. Dans une paire d'énantiomères d'une molécule, on serait l'image miroir de l'autre et on ne pourrait pas chevaucher (comme c'est le cas avec nos deux mains). La question est que l'une des images dans le miroir a généralement des applications très intéressantes et l'autre pas, il est donc beaucoup plus approprié de synthétiser directement l'un des énantiomères que d'avoir à les séparer plus tard. Il y a de nombreuses années, nous savons que la nature utilise des protéines pour obtenir une catalyse asymétrique et, dans la dernière décennie, l’équipe du prix Nobel Feringa a réalisé la découverte suivante: L'ADN peut également être utilisé pour cette tâche grâce à l'enroulement de sa double hélice[8].

En s'éloignant du domaine de la chimie et de la biochimie, la recherche ADN fonctionnelle diminue, mais il y a un grand intérêt pour la création de nanostructures et l'utilisation d'ADN pour stocker des informations. Nos informations personnelles sont stockées sur des disques durs avec des puces de silice ou des bandes magnétiques. La quantité de données qui peuvent être stockées dans une certaine taille a considérablement augmenté au cours des dernières années, se rapprochant d'une limite où physiquement il ne sera pas possible d'augmenter ce compactage. L'ADN, quant à lui, est un matériau beaucoup plus dense en termes de stockage de données: dans un gramme on pourrait introduire environ deux petabytes, c'est-à-dire dans quelques grammes on aurait tous les contenus disponibles sur Internet. Et, en tout cas, de la théorie à la pratique, il ya un grand travail. Aujourd'hui, les entreprises Microsoft et Food sont celles qui réalisent le plus d'investissements dans cette application, et bien que les premières étapes aient été prises pour le moment, elles ont déjà présenté leur premier disque dur ADN[9] (Figure 4).

Grâce à la recherche pluridisciplinaire, il y a encore des portes ouvertes pour développer des applications d'ADN, construire des nanostructures plus robustes et tirer davantage parti des capacités des aptamers ou des enzymes ADN. Pour éviter que les nœuds des acides nucléiques ne deviennent des poils dans la bouche, il faut continuer à enquêter, car ce matériel nécessaire à la vie a beaucoup à dire en dehors des cellules et il est dans nos mains de lâcher les nœuds et de tirer les options.

Bibliographie Bibliographie

[1] Seeman, N. C. Sleiman, H. F. (2017). DNA nanotechnology. Nature Reviews Materials, 3. DOI: 10.1038/natrevmats.2017.68

[2] Rothemund, P. W. C. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440(7082). DOI: 10.1038/nature04586

[3] Wang, T. Veedu, R. N. (2019). Technologies disponibles: Lessons learned, progress and opportunities on aptamer development. Biotechnology Advances, 37, 28–50. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2018.11.001

[4] Nakano, S., Miyoshi, D., Sugimoto, N. (2014). Structure Moléculaire Crowding on the Structures, Interactions, and Functions of Nucleic Acids. Chem. Rev., 114, 2733–2758. DOI: 10.1021/cr400113m

[5] Olave, B., Schäfer, T. (2018). CHAPTER 17 Functional DNA in Ionic Liquids. Dans Ionic Liquid Devices (pp. 423–444). The Royal Society of Chemistry. DOI: 10.1039/9781788011839-00423

[6] Holliger, P. et. au (2019). A synthetic genetic polymer with an uncharged backbone chemistry based on alkyl phosphonate nucleic acids. Nature Chemistry. DOI: 10.1038/s41557-019-0255-4

[7] Schafer, T., Ozalp, V. C. (2015). dna-aptamer gating membranes. Chemical Communications, 51(25), 5471–5474. DOI: 10.1039/C4c09660f

[8] Fering, B. L. et al. (2010). Catalytic enantioselective syn hydration of enones in water using a dna-based catalyst. Nature Chemistry, 2(11), 991–995. DOI: 10.1038/nchem.819

[9] https://youtu.be/tBvd7OSDGgQ , https://www.youtube.com/watch?v=60Gi5lqL-dA