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L'ordinateur modélise les formes d'ADN 3D les plus complexes
Un nouveau modèle informatique qui permet aux ingénieurs en biologie de concevoir les structures d'ADN 3D les plus complexes jamais réalisées, amène l'origami 3D à un nouveau niveau. Cette avancée pourrait aider les scientifiques à explorer certains des plus infimes processus de la biologie, tels que la photosynthèse. Cela pourrait également aider à créer de nouveaux types de médicaments ou de thérapies ARN - une nouvelle frontière du traitement personnalisé pour des maladies comme le cancer.
Le modèle informatique permet aux ingénieurs en biologie d'exercer un contrôle à l'échelle nanométrique pour créer des formes complexes d'ADN 3D.
Crédits image: rang supérieur - Stavros Gaitanaros (MIT) et Fei Zhang (Arizona State University); Rangée du bas - Keyao Pan (MIT) & Nature Communications
Dans le journal Communications Nature, une équipe de chercheurs, dont des membres du Massachusetts Institute of Technology (MIT), décrivent comment ils ont conçu le modèle informatique et l'ont utilisé pour créer des formes d'ADN 3D élaborées, notamment des anneaux, des bols et des icosaèdres dotés de structures similaires aux virus.
Alors que les scientifiques s’améliorent de plus en plus à sonder et manipuler la matière à l’échelle des atomes individuels et des molécules - le domaine de la nanotechnologie -, les ingénieurs biologiques ont ainsi la possibilité d’utiliser l’ADN comme matériau de construction à échelle nanométrique.
L'ADN est stable et les scientifiques peuvent facilement le programmer en modifiant la séquence de ses composants. Mais la fonction de l'ADN repose non seulement sur les séquences de ses sous-unités chimiques, mais aussi sur sa forme. Ainsi, il y a environ 10 ans, les scientifiques ont commencé à manipuler l'ADN en deux dimensions - et ont donné naissance à l'expression «origami ADN».
Les formes d'ADN 2D ont été réalisées en liant des "brins d'agrafes" à des "échafaudages d'ADN". Plus tard, les scientifiques ont combiné cette méthode avec la nanotechnologie et ont commencé à travailler avec l'origami 3D. Cela a conduit à suggérer que des nanostructures d'ADN 3D pourraient un jour être utilisées pour délivrer des médicaments, agir comme biocapteurs, réaliser des photosynthèses artificielles et plus encore.
Plus la structure peut être complexe, plus la gamme d’applications offertes par la technologie est prometteuse. Avec ce dernier modèle, par exemple, l’équipe dirigée par le MIT pense que les chercheurs seront en mesure de construire des échafaudages ADN pour construire de nouveaux véhicules pour les thérapies ARN, les chromophores ou les molécules sensibles à la photosynthèse.
Un nouveau modèle utilise un «contrôle précis à l'échelle nanométrique» pour créer des formes d'ADN 3D
L'auteur principal Mark Bathe, professeur agrégé d'ingénierie biologique au MIT, explique le pas en avant que représente leur étude dans le domaine de l'origami 3D:
"L'idée générale est d'organiser spatialement des protéines, des chromophores, des ARN et des nanoparticules avec une précision à l'échelle nanométrique en utilisant l'ADN. Le contrôle précis à l'échelle nanométrique que nous avons sur l'architecture 3D est unique dans cette approche."
Les progrès vers le nouveau modèle ont été lents et laborieux. En 2011, l'équipe a mis au point un modèle appelé CanDo pour créer des formes d'ADN en 3D, mais elle ne pouvait produire qu'une gamme limitée basée sur des réseaux de faisceaux d'ADN rectangulaires ou hexagonaux.
Cette dernière version utilise un nouvel algorithme qui aide l’équipe à créer des structures beaucoup plus complexes que ce qui était possible auparavant. Il peut prendre des séquences d'échafaudage d'ADN et de brins d'agrafes et prédire la structure 3D de pratiquement toutes les séquences d'ADN programmées.
Le professeur Bathe dit que la prédiction de la structure 3D dans le modèle «est au centre de diverses applications fonctionnelles que nous poursuivons, car en fin de compte, c'est la structure 3D qui donne lieu à la fonction, pas seulement la séquence ADN».
Le modèle coupe les séquences d'ADN en «jonctions multi-voies»
Le nouveau modèle fonctionne en coupant des séquences d'ADN en sous-unités appelées «jonctions multivoies», éléments essentiels des nanostructures d'ADN programmées, similaires à celles qui se forment naturellement lors de la réplication de l'ADN. Les jonctions multi-voies permettent aux brins d'ADN de se croiser et de se lier au brin d'une hélice d'ADN adjacente lorsqu'ils se déroulent et forment de nouvelles paires pendant la réplication.
Le modèle informatique ré-assemble ensuite l'ADN découpé en formes nanométriques programmées plus grandes telles que des anneaux, des disques et des récipients sphériques. La reprogrammation des séquences de ces composants permet aux concepteurs d'origami ADN de créer facilement des architectures complexes, y compris des cages symétriques en forme de tétraèdres, d'octaèdres et de dodécaèdres.
Prof. Bathe explique que les formes d'ADN 3D ne sont que des «échafaudages passifs». Leur fonction vient des autres molécules qui peuvent leur être attachées et fournissent une gamme d'applications.
Un exemple sur lequel l'équipe travaille est d'essayer d'imiter la structure d'échafaudage de protéines qui permet aux cellules végétales vivantes de réaliser la photosynthèse. Les échafaudages de protéines sont plus difficiles à fabriquer dans des assemblages à l'échelle nanométrique - la méthode de l'origami en 3D fournit donc une alternative utile. Les scientifiques peuvent, à la place, attacher des chromophores à l'échafaudage de l'ADN afin de créer les structures clés pour la photosynthèse.
La vidéo du MIT ci-dessous explique plus en détail le fonctionnement du nouveau modèle:
Les échafaudages d'ADN peuvent transporter des médicaments dans les cellules sans déclencher des alarmes
D'autres applications sont également possibles - comme les échafaudages qui permettent aux scientifiques d'imiter les toxines bactériennes afin de créer des versions non toxiques qu'ils peuvent utiliser pour administrer des thérapies ARN directement dans les cellules.
En utilisant des échafaudages d'ADN pour transporter des médicaments tels que des microARN, des ARNm et des médicaments contre le cancer, il est possible d'entrer dans les cellules sans déclencher beaucoup d'alarmes ou de dégrader la machinerie cellulaire, explique le professeur Bathe.
L'équipe prévoit de rendre son algorithme accessible au public afin que d'autres concepteurs d'ADN puissent l'utiliser. Ils veulent d'abord améliorer le modèle pour que les concepteurs puissent simplement lui donner une forme spécifique et obtenir la séquence qui produira cette forme.
Une telle amélioration permettrait une véritable impression 3D à l’échelle nanométrique, où l’encre est de l’ADN synthétique, explique l’équipe.
Les fonds pour l'étude provenaient de l'Office of Naval Research et de la National Science Foundation.
Lorsque la directive européenne sur le temps de travail (EWTD) a été introduite en août 2009 dans 77 hôpitaux anglais, ils estimaient qu'il était permis de déroger à une semaine de 52 heures au lieu de 48 heures jusqu'au 31 juillet 2011. Un rapport du BMJ Les carrières montrent que la majorité des 300 médecins en formation dispensés de la limite de temps de travail de 48 heures imposée par la directive européenne sur le temps de travail (EWTD) sont désormais conformes.
Hausse de la consommation de médicaments sur ordonnance aux États-Unis
Selon une étude publiée dans le JAMA, les adultes aux États-Unis utilisent de plus en plus de médicaments sur ordonnance. L'utilisation de la plupart des médicaments d'ordonnance a augmenté aux États-Unis, révèle une nouvelle étude. Les médicaments sur ordonnance représentent une dépense majeure aux États-Unis, mais les informations consolidées au niveau de la population font défaut, car les données proviennent généralement des bases de données pharmaceutiques ou des registres de dépenses.
