Des mathématiques pour construire des nanomatériaux avec des molécules d’ADN inspirées de l’origami

Des mathématiques pour construire des nanomatériaux avec des molécules d’ADN inspirées de l’origami
Des mathématiques pour construire des nanomatériaux avec des molécules d’ADN inspirées de l’origami
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Une collaboration internationale de scientifiques, dont un groupe de chercheurs du Laboratoire de Matière Molle du Département de Physique de l’Université de Rome La Sapienza (Italie), a réussi à développer une nouvelle méthode mathématique qui permet de créer des structures d’ADN complexes en assemblant des molécules comme si ils construisaient des briques. Et un groupe de collègues de l’Arizona State University (et d’autres instituts) a validé expérimentalement la méthode, en suivant des règles mathématiques pour construire certaines de ces structures en laboratoire.

La recherche, dont les résultats ont été récemment publiés dans la prestigieuse revue Sciencepose les bases de la conception de nouveaux nanomatériaux aux propriétés optiques très intéressantes, qui pourront un jour être utilisés pour perfectionner des composants pour ordinateurs quantiques et autres dispositifs photoniques et nanoélectroniques.


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Origami ADN

L’idée d’utiliser l’ADN comme « brique » de construction n’est pas nouvelle : ce qui rend cette molécule si intéressante et polyvalente, c’est la spécificité des interactions entre les bases azotées qui la composent, c’est-à-dire le fait que chacune des quatre se lie exclusivement à un autre : l’adénine à la thymine et la guanine à la cytosine, et vice versa.

La véritable avancée a eu lieu en 2006, lorsque Paul Rothemundphysicien au California Institute of Technology, a proposé une système defroissé» ADN inspiré de l’origami japonais. Fondamentalement, les fragments de la molécule sont repliés sur eux-mêmes pour rapprocher des régions initialement éloignées et sont ensuite « cousus » ensemble à l’aide d’une sorte de clip, également constitué d’ADN. La technique, appelée origami ADN, a immédiatement semblé très prometteuse et a déjà trouvé plusieurs applications, notamment dans le domaine du traitement médicamenteux, mais elle présente encore certaines limites : il est difficile de reproduire le procédé en grande quantité et de fabriquer des objets de forme spéciale. des formes complexes, ce qui constitue cependant un objectif essentiel si l’on veut utiliser ces structures à plus grande échelle.

Vrai ou faux?

C’est à ce moment de l’histoire que s’inscrit le travail qui vient d’être publié : les auteurs de l’étude ont, en effet, réussi à développer un système pour que la construction de ces structures soit plus efficace, précise et évolutive, contrôlant (et en évitant ) toutes les « erreurs » possibles lors du montage.

«Le principal problème qui se pose lorsqu’on tente d’augmenter la taille des structures basées sur l’ADN», explique Lorenzo Rovigatti, co-auteur de l’ouvrage, «sont ce qu’on appelle les pièges cinétiques. C’est comme si les morceaux de molécules, une fois pliés, devenaient “coincés” dans une certaine configuration, les empêchant de s’assembler dans la structure que nous aimerions avoir en place.

Pour surmonter ce problème, les scientifiques ont « intégré » la manière dont les molécules sont assemblées dans un système de règles, à savoir clauses ou conditions booléen; en fait, l’outil s’appelle satisfiabilité booléenou SAT, qui représentent mathématiquement les voies et les contraintes des structures de construction, puis ont développé un algorithme pour satisfaire ces conditions.

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