"L'une de nos grandes innovations, au-delà d'amener les moteurs à ADN à effectuer des calculs logiques, est de trouver un moyen de convertir ces informations en un signal de sortie simple - mouvement ou pas de mouvement", explique Selma Piranej, un candidat doctorant à l'Université Emory en chimie,et premier auteur du journal."Ce signal peut être lu par quiconque ait un téléphone portable équipé d'une attache d'agrandissement peu coûteuse."
"La percée de Selma supprime les principaux barrages routiers qui se tenaient sur le fait de rendre les ordinateurs d'ADN utiles et pratiques pour une gamme d'applications biomédicales", explique Khalid Salaita, auteur principal du journal et professeur d'Emory de chimie à l'Université Emory.Salaita est également sur la faculté du Wallace H.Coulter Department of Biomedical Engineering, un programme conjoint de Georgia Tech and Emory.
Les moteurs peuvent ressentir des informations chimiques dans leur environnement, traiter ces informations, puis répondre en conséquence, en imitant certaines propriétés de base des cellules vivantes.
"Les ordinateurs d'ADN précédents n'avaient pas dirigé le mouvement intégré", explique Salaita."Mais pour obtenir des opérations plus sophistiquées, vous devez combiner à la fois le calcul et le mouvement dirigé.Nos ordinateurs d'ADN sont essentiellement des robots autonomes avec des capacités de détection qui déterminent s'ils se déplacent ou non."
Les moteurs peuvent être programmés pour répondre à une séquence d'agent pathogène ou d'ADN spécifique, ce qui en fait une technologie potentielle pour les tests médicaux et les diagnostics.
advertisementUne autre avancée clé est que chaque moteur peut fonctionner indépendamment, dans différents programmes, tout en étant déployé en groupe.Qui ouvre la porte à une seule gamme massive de moteurs de la taille d'un micron pour effectuer une variété de tâches et effectuer une communication motrice à moteur.
"La capacité pour les moteurs d'ADN à communiquer entre eux est une étape vers la production du type d'action collective complexe générée par des essaims de fourmis ou de bactéries", dit Salaita."Cela pourrait même conduire à des propriétés émergentes."
La nanotechnologie d'ADN profite de l'affinité naturelle pour les bases d'ADN A, G, C et T pour s'associer les uns aux autres.En se déplaçant autour de la séquence de lettres sur des brins synthétiques d'ADN, les scientifiques peuvent faire lier les brins de manière à créer différentes formes et même à construire des machines fonctionnaires.
Le Salaita Lab, un leader en biophysique et en nanotechnologie, a développé le premier moteur basé sur l'ADN en 2015.L'appareil était 1000 fois plus rapide que tout autre moteur synthétique, accélérant le champ en plein essor de la robotique moléculaire.Sa vitesse élevée permet à un simple microscope de téléphone intelligent de capturer son mouvement via la vidéo.
Le "châssis" du moteur est une sphère de verre de la taille d'un micron.Des centaines de brins d'ADN, ou «jambes», peuvent 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 jambes d'ADN sont attirées par l'ARN, mais dès qu'ils y mettent le pied, ils l'effacement à travers l'activité d'une enzyme qui est liée à l'ADN et ne détruit que l'ARN.Alors que les jambes se lient puis se libérent du substrat, ils continuent de guider la sphère.
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Lorsque Piranej a rejoint le laboratoire Salaita en 2018, elle a commencé à travailler sur un projet pour faire passer les moteurs à rouler au niveau supérieur en construisant dans la logique de programmation informatique.
"C'est un objectif majeur dans le domaine biomédical pour profiter de l'ADN pour le calcul", dit Piranej."J'adore l'idée d'utiliser quelque chose qui est inné en chacun de nous pour concevoir de nouvelles formes de technologie."
L'ADN est comme une puce d'ordinateur biologique, stockant de grandes quantités d'informations.Les unités de fonctionnement de base pour le calcul de l'ADN sont de courtes brins d'ADN synthétique.Les chercheurs peuvent changer le «programme» de l'ADN en peaufinant les séquences d'AGTC sur les brins.
"Contrairement à une puce du silicium, des ordinateurs et des moteurs à base d'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 essaie d'emballer plus de données dans une empreinte toujours plus pas plus pas plus passée.L'ADN offre le potentiel d'exécuter de nombreuses opérations de traitement en parallèle dans un très petit espace.La densité des opérations que vous pourriez gérer pourrait même aller à l'infini."
L'ADN synthétique est également biocompatible et bon marché."Vous pouvez reproduire l'ADN en utilisant des enzymes, la copier et la coller autant de fois que vous le souhaitez", dit Salaita."C'est pratiquement gratuit."
Des limites restent cependant dans le champ naissant du calcul de l'ADN.Un obstacle clé consiste à rendre la sortie des calculs facilement lisibles.Les techniques actuelles reposent fortement sur le marquage de l'ADN avec des molécules fluorescentes, puis la mesure de l'intensité de la lumière émise à différentes longueurs d'onde.Ce processus nécessite un équipement coûteux et lourd.Il limite également les signaux qui peuvent 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 plonger dans la littérature sur la bio-ingénierie pour essayer de surmonter cet obstacle.Elle a eu l'idée d'utiliser une réaction bien connue en bio-ingénierie pour effectuer le calcul et l'associer au mouvement des moteurs à rouler.
La réaction, connue sous le nom de déplacement des brin à médiation TOE, se produit sur l'ADN duplex - deux brins complémentaires.Les brins se serrent étroitement étreints, à l'exception d'une extrémité lâche et souple d'un brin, connu sous le nom de l'orteil.Le moteur roulant peut être programmé en l'enrobant avec de l'ADN duplex complémentaire à une cible d'ADN - une séquence d'intérêt.
Lorsque le moteur moléculaire rencontre la cible d'ADN lorsqu'elle roule le long de sa piste d'ARN, la cible d'ADN se lie à la prise de l'orteil de l'ADN duplex, le dépouille et ancre le moteur en place.La lecture de l'ordinateur devient simplement "mouvement" ou "pas de mouvement."
"Quand j'ai vu ce concept pour la première fois pendant une expérience, j'ai fait ce son vraiment fort et excité", se souvient Piranej."Un de mes collègues est venu et a demandé:" Ça va? "Rien ne se compare à voir votre idée prendre vie comme ça.C'est un grand moment."
Ces deux portes logiques de base du "mouvement" ou "pas de mouvement" peuvent être formulées ensemble pour créer des opérations plus compliquées, imitant comment 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 mettre ensemble de nombreuses opérations informatiques différentes et de lire toujours facilement la sortie.Elle variait simplement la taille et les matériaux des sphères microscopiques qui forment le châssis pour les moteurs à roulement à base d'ADN.Par exemple, les sphères peuvent aller de trois à cinq microns de diamètre et être en silice ou en polystyrène.Chaque altération fournit des propriétés optiques légèrement différentes qui peuvent être distinguées via un microscope à téléphone portable.
Le Salaita Lab s'efforce d'établir une collaboration avec des scientifiques du Atlanta Center for Microsystems Engineered Point of Care Technologies, un centre financé par les NIH établi par Emory et Georgia Tech.Ils explorent le potentiel d'utilisation de la technologie de composition de l'ADN pour les diagnostics à domicile de Covid-19 et d'autres biomarqueurs de maladies.
"Le développement d'appareils pour les applications biomédicaux est particulièrement gratifiant car c'est une chance de faire un grand impact dans la vie des gens", dit Piranej."Les défis de ce projet ont rendu les choses plus amusantes pour moi", ajoute-t-elle.
