Le projet de preuve de concept ouvre la voie à l’intégration de molécules avec des puces informatiques. – Technoguide

Les ingénieurs ont développé une technique qui leur permet de placer avec précision des dispositifs microscopiques formés à partir de molécules d’ADN pliées non seulement dans un emplacement spécifique, mais également dans une orientation spécifique.

Comme preuve de concept, ils ont arrangé plus de 3000 dispositifs moléculaires nanométriques en forme de lune brillants dans un instrument en forme de fleur pour indiquer la polarisation de la lumière. Chacun des 12 pétales pointait dans une direction différente autour du centre de la fleur, et à l’intérieur de chaque pétale, environ 250 lunes étaient alignées dans la direction du pétale. Parce que chaque lune ne brille que lorsqu’elle est frappée par une lumière polarisée correspondant à son orientation, le résultat final est une fleur dont les pétales s’allument en séquence lorsque la polarisation de la lumière qui brille sur elle est tournée. La fleur, qui s’étend sur une distance inférieure à la largeur d’un cheveu humain, démontre que des milliers de molécules peuvent être orientées de manière fiable sur la surface d’une puce.

Cette méthode pour placer et orienter avec précision des dispositifs moléculaires à base d’ADN peut permettre d’utiliser ces dispositifs moléculaires pour alimenter de nouveaux types de puces qui intègrent des biocapteurs moléculaires à l’optique et à l’électronique pour des applications telles que le séquençage d’ADN ou la mesure des concentrations de milliers de protéines à une fois.

La recherche, publiée le 19 février par la revue Science, s’appuie sur plus de 15 ans de travail de Paul Rothemund (BS ’94) de Caltech, professeur de recherche en bio-ingénierie, en informatique et en sciences mathématiques, en calcul et en systèmes neuronaux, et ses collègues. En 2006, Rothemund a montré que l’ADN pouvait être dirigé pour se plier dans des formes précises grâce à une technique appelée ADN origami. En 2009, Rothemund et ses collègues d’IBM Research Almaden ont décrit une technique permettant de positionner l’origami à ADN à des endroits précis sur des surfaces. Pour ce faire, ils ont utilisé un procédé d’impression basé sur des faisceaux d’électrons et ont créé des patchs «collants» ayant la même taille et la même forme que l’origami. En particulier, ils ont montré que les triangles d’origami se liaient précisément à l’emplacement des patchs triangulaires collants.

Ensuite, Rothemund et Ashwin Gopinath, ancien chercheur postdoctoral principal de Caltech et maintenant professeur adjoint au MIT, ont affiné et étendu cette technique pour démontrer que les dispositifs moléculaires construits à partir d’origami à ADN pouvaient être intégrés de manière fiable dans des dispositifs optiques plus grands. “La barrière technologique a été de savoir comment organiser de manière reproductible un grand nombre de dispositifs moléculaires dans les bons modèles sur les types de matériaux utilisés pour les puces”, explique Rothemund.

En 2016, Rothemund et Gopinath ont montré que l’origami triangulaire portant des molécules fluorescentes pouvait être utilisé pour reproduire une version de 65000 pixels de The Starry Night de Vincent van Gogh. Dans ce travail, l’origami à ADN triangulaire a été utilisé pour positionner des molécules fluorescentes dans des résonateurs optiques de la taille d’une bactérie; le placement précis des molécules fluorescentes était essentiel car un mouvement de seulement 100 nanomètres vers la gauche ou la droite atténuerait ou éclaircirait le pixel de plus de cinq fois.

Mais la technique avait un talon d’Achille: “Parce que les triangles étaient équilatéraux et étaient libres de tourner et de se retourner à l’envers, ils pouvaient coller à plat sur le patch triangulaire collant à la surface de six manières différentes. Cela signifiait que nous ne pouvions pas ‘ t utiliser des appareils qui nécessitaient une orientation particulière pour fonctionner. Nous étions coincés avec des appareils qui fonctionneraient aussi bien lorsqu’ils étaient pointés vers le haut, vers le bas ou dans n’importe quelle direction », explique Gopinath. Les appareils moléculaires destinés au séquençage de l’ADN ou à la mesure des protéines doivent absolument atterrir à l’endroit, de sorte que les techniques plus anciennes de l’équipe ruineraient 50% des appareils. Pour les appareils nécessitant également une orientation de rotation unique, tels que les transistors, seulement 16% fonctionneraient.

Le premier problème à résoudre était donc de faire atterrir l’origami d’ADN de manière fiable avec le bon côté vers le haut. «C’est un peu comme garantir que le pain grillé atterrit toujours comme par magie le côté beurre vers le haut lorsqu’il est jeté par terre», dit Rothemund. À la surprise des chercheurs, enduire l’origami d’un tapis de brins d’ADN flexibles d’un côté a permis à plus de 95% d’entre eux de se poser face visible. Mais le problème du contrôle de la rotation demeure. Les triangles rectangles avec trois longueurs d’arêtes différentes ont été la première tentative des chercheurs pour une forme qui pourrait atterrir dans la rotation préférée.

Cependant, après avoir lutté pour obtenir seulement 40% des triangles rectangles pour pointer dans la bonne orientation, Gopinath a recruté des informaticiens Chris Thachuk de l’Université de Washington, co-auteur de l’article scientifique, et ancien post-doctorant de Caltech; et David Kirkpatrick de l’Université de la Colombie-Britannique, également coauteur de l’article Science. Leur travail consistait à trouver une forme qui ne resterait coincée que dans l’orientation voulue, quelle que soit l’orientation dans laquelle elle pourrait atterrir. La solution des informaticiens était un disque avec un trou décentré, que les chercheurs ont appelé une «petite lune». ” Les preuves mathématiques suggéraient que, contrairement à un triangle rectangle, les petites lunes pouvaient tourner en douceur pour trouver le meilleur alignement avec leur patch collant sans se coincer. Des expériences en laboratoire ont vérifié que plus de 98% des petites lunes trouvaient l’orientation correcte sur leurs plaques collantes.

L’équipe a ensuite ajouté des molécules fluorescentes spéciales qui se bloquent étroitement dans les hélices d’ADN des petites lunes, perpendiculaires à l’axe des hélices. Cela garantissait que les molécules fluorescentes à l’intérieur d’une lune étaient toutes orientées dans la même direction et brilleraient le plus brillamment lorsqu’elles étaient stimulées par la lumière d’une polarisation particulière. «C’est comme si chaque molécule portait une petite antenne, qui ne peut accepter l’énergie de la lumière le plus efficacement que lorsque la polarisation de la lumière correspond à l’orientation de l’antenne», explique Gopinath. C’est ce simple effet qui a permis la construction de la fleur sensible à la polarisation.

Avec des méthodes robustes pour contrôler l’orientation ascendante et rotative de l’origami à ADN, une large gamme de dispositifs moléculaires peut maintenant être intégrée à bas prix dans des puces informatiques à haut rendement pour une variété d’applications potentielles. Par exemple, Rothemund et Gopinath ont fondé une société, Palamedrix, pour commercialiser la technologie de construction de puces semi-conductrices permettant l’étude simultanée de toutes les protéines pertinentes pour la santé humaine. Caltech a déposé des demandes de brevet pour le travail.

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