La «Nuit étoilée» de Van Gogh issue de l'origami à ADN est devenue une réalité

Une manière intéressante d'utiliser les capacités de l'ADN au niveau d'une nouvelle technologie prometteuse a été proposée par des chercheurs du California Institute of Technology, qui ont créé avec son aide une reproduction du célèbre tableau " Starry Night " de Vincent Van Gogh . Ce que vous voyez ci-dessous sur une image monochromatique de la taille d'une pièce de dix cents est le résultat du pliage des molécules d'ADN, accompagné d'une réorientation des molécules lumineuses dans des endroits strictement définis - les "cellules" des résonateurs optiques microscopiques. Selon les auteurs, la technologie proposée pour contrôler le processus de repliement de l'ADN à long terme permettra de créer des bio-ordinateurs nanométriques entièrement fonctionnels.



La technologie de l'origami ADN, qui permet à une longue molécule d'ADN de communiquer n'importe quelle forme et propriété prédéterminées, a été développée par Paul Rothemund du California Institute of Technology il y a environ 10 ans. Ensuite, le scientifique a réussi à créer à partir de l'anneau la molécule d'ADN du bactériophage M13 plusieurs formes géométriques élémentaires - triangles, étoiles, rectangles et sourires.

Rappelons brièvement que la technique ADN-origami est basée sur le principe de complémentarité, qui décrit la structure de l'ADN double brin. De telles biomolécules sont de longs brins sur lesquels il existe quatre types de "billes", les bases azotées - la guanine, l'adénine, la cytosine et la thymine. Dans la double hélice, opposée à l'adénine, seule la thymine peut être localisée, et opposée à la guanine, seule la cytosine, etc.

Ayant des informations sur l'emplacement des bases dans une molécule d'ADN simple brin, il est possible de sélectionner des ensembles de «clips» courts pour elle, forçant la chaîne à se plier de manière compacte dans la forme souhaitée, par exemple, dans une feuille plate. Comme l'a noté Paul Rothmund, le développement et la synthèse de ces "clips" prennent environ deux semaines, et le processus de création de l'origami prend environ plusieurs heures après le mélange des composants dans une solution.

L'ADN formé selon le «scénario» souhaité peut servir de plate-forme dans laquelle toutes sortes de composants à l'échelle nanométrique peuvent être intégrés, des molécules de substances fluorescentes aux nanotubes de carbone en passant par les mini-capsules contenant des médicaments et des éléments de micro-ordinateurs microscopiques. Dans le même temps, pour atteindre les objectifs fixés et créer des nanodispositifs exploitables prometteurs, la présence d'une seule base à base d'ADN ne suffit pas.

En 2009, Paul Rothmund et une équipe de spécialistes d'IBM Research, utilisant la méthode de lithographie par faisceau d'électrons, ont d'abord décrit, puis mis en œuvre, la technologie de placement ultraprécis de molécules d'ADN dans un ordre donné. Toutes les années suivantes jusqu'à présent, Rotmund avec des collègues du California Institute of Technology sous la direction d'Ashwin Gopinath, professeurs du département de bio-ingénierie du California Institute of Technology, ont perfectionné le développement et, par conséquent, ont été en mesure de proposer un moyen de localiser avec précision les molécules d'ADN sur des surfaces de presque toutes les formes complexes, y compris la surface d'une puce semi-conductrice. Un exemple de l'effet que l'on peut obtenir en utilisant la technologie proposée est la reproduction miniature de Starry Night par Van Gogh créée par des scientifiques.Rothmund et ses collègues ont utilisé la technique de l'ADN en origami pour fixer spécifiquement des molécules de phosphore à la surface d'un cristal photonique bidimensionnel. Le cristal lui-même est une structure ordonnée ressemblant à un nid d'abeille. Et pour sa fabrication, les scientifiques ont utilisé la méthode de gravure de la surface à l'aide d'un faisceau d'électrons.

"Ce que nous avons créé peut être comparé simplement à visser des" ampoules "moléculaires dans des cartouches microscopiques en utilisant un origami à ADN", explique Paul Rotmund, "dans ce cas, en ajustant la position relative des molécules et la distance entre elles et les sources de lumière, nous avons pu pour pouvoir modifier la luminosité de chacune de ces «ampoules» dans les limites requises. La reproduction que nous avons créée n'est rien d'autre qu'une matrice de 65 536 pixels avec une taille de 256 x 256 avec une luminosité différente ». En déplaçant l'origami d'ADN dans une matrice avec un pas de 20 nm, les chercheurs ont pu obtenir un motif ressemblant à des cellules d'un échiquier, avec des sections de différents niveaux d'intensité de la lueur des "bulbes" moléculaires dans les points "froids" et "chauds".


<sub>- ( ). : ( ), . — , . Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016


«». Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016</sub>

«Tous les travaux antérieurs liés à la création d'émetteurs de lumière à l'échelle nanométrique n'ont permis de placer que quelques« lampes »de travail en raison de l'extrême complexité de la reproduction des circuits de contrôle de l'appareil, qui dépend largement du nombre et de la position des émetteurs dans la cavité», explique Gopinath. La nouvelle technologie vous permet de régler de zéro à sept ADN origami, ce qui permet de contrôler numériquement la luminosité de chaque lampe sans restrictions.


_{L'emplacement des adaptateurs d'origami dans les cavités. Expériences de test sur la reproduction des couleurs et la nuit étoilée. Ashwin Gopinath et al. / Nature, 2016}

Le problème est, a expliqué le scientifique, que les molécules fluorescentes après leur redistribution sur le substrat "vivent" pendant environ 45 secondes. Après cela, ils réagissent avec l'oxygène et s'épuisent. Dans ce processus, ils commencent à émettre de la lumière dans plusieurs nuances de rouge, mais pas dans une couleur pure. Les résultats obtenus ont incité les chercheurs à rechercher une solution à ce problème, dont l'élimination, selon eux, permettra de mettre en œuvre les dernières technologies prometteuses, jusqu'aux technologies utilisées dans les systèmes informatiques quantiques à l'échelle nanométrique.

_{Source
Nature}

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