Tic-tac-toe: démonstration d'un processus contrôlé de reconfiguration des structures d'ADN

Les scientifiques ont organisé une fête en tic-tac-toe à l'aide d'ADN. Cela semble drôle, mais ce n'est que la pointe de l'iceberg, secoué par une touche d'humour des scientifiques eux-mêmes. En fait, l'étude d'aujourd'hui révèle de nouvelles méthodes pour surveiller la cinétique de l'interaction des nanostructures d'ADN, qui, ensemble, peuvent effectuer des tâches complexes. Utiliser l'ADN en tant que parties principales du système n'est pas une tâche facile, mais cela n'empêche pas les scientifiques dont l'esprit est plein d'idées, mais le cœur d'enthousiasme. Et alors, comment ont-ils réussi à déplacer les blocs d'ADN selon un schéma donné, comme l'a montré l'étude, et quelles sont les perspectives pour cette technique à l'avenir? Pour les réponses, nous nous tournons vers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Dans cette étude, les scientifiques ont démontré une nouvelle technique pour déplacer les carreaux d'ADN, basée sur les principes des articulations de support et des décalages de branche. Ces principes sont similaires au déplacement standard des brins d'ADN, mais visent des objets plus grands, plus précisément des structures d'ADN.

Cette technique a permis de maîtriser la cinétique des carreaux d'ADN et de réaliser la chaîne de réactions souhaitée au sein de systèmes multi-structures. Le jeu du tic-tac-toe n'a pas été réalisé pour le plaisir, mais pour démontrer la possibilité de déplacer l'ADN de la tuile dans n'importe quel ordre et position.

Pour comprendre les mécanismes des systèmes biologiques, il est nécessaire de considérer ses principaux composants, parmi lesquels les structures moléculaires sont l'une des plus importantes. L'ADN, en tant que molécule porteuse, est considéré comme l'un des meilleurs matériaux pour l'étude et la création de nanostructures auto-organisées.

Parmi les techniques basées sur l'ADN, la technique de l'ADN origami a gagné en popularité ces dernières années, vous permettant de créer des structures à partir d'ADN de n'importe quelle forme et configuration souhaitées.

Les composants d'un seul origami à ADN peuvent être tordus comme vous le souhaitez, mais jusqu'à présent, il n'a pas été possible de réaliser une interaction contrôlée entre plusieurs origami à ADN en tant que composants d'une structure plus grande, et donc plus complexe. Pour le moment, il n'était possible de connecter / déconnecter que plusieurs origami ADN.

Dans l'étude d'aujourd'hui, les scientifiques ont démontré une nouvelle technique d'interaction avec l'origami ADN. Il y a une structure dans laquelle la tuile ADN-origami est intégrée, déplaçant une autre tuile du réseau général et se connectant à la structure en raison du domaine de liaison * au bord de la tuile (point d'appui / point de connexion).

Domaine de liaison / liaison * - un domaine protéique qui fait partie de la chaîne protéique, mais qui peut fonctionner séparément d'elle.

À titre d'exemple, les scientifiques ont créé trois options de reconfiguration: compétitive, séquentielle et coopérative. La totalité de ces «mouvements» (reconfiguration étape par étape) a été démontrée comme un jeu de tic-tac-toe, lorsque chaque joueur avait 9 origami ADN uniques qui peuvent être déplacés dans n'importe quel ordre sur un champ de 264x264 nm.

Formation de tuiles d'ADN


Structures de tuiles d'ADN.

Auparavant, avant de mener cette étude, les scientifiques ont développé une technique pour créer des tuiles d'ADN individuelles. Chaque tuile sur deux bords a 11 agrafes, chacune participant à l'empilement.

L'image ci-dessus montre un tableau de 4 tuiles (en haut à gauche), chacune étant connectée à la adjacente par des crochets.

Les chercheurs ont examiné plusieurs options possibles pour créer des tableaux plus grands avec un grand nombre de tuiles. Pour cela, en théorie, il fallait que la connexion entre les tuiles soit suffisamment faible. Cela lui permettrait de casser et de reconstruire la baie. Cependant, les observations ont montré qu'il est possible de créer des réseaux multi-tuiles reconfigurables même à des températures où la connexion entre les tuiles doit être permanente.


Reconfiguration des tuiles.

Ce phénomène a deux explications possibles. Premièrement, la formation de liaisons se produit à une température suffisamment élevée, tout en tombant dans la plage de températures de la réversibilité du processus. Le second - le dimère et le trimère subissent une réaction de déplacement, par conséquent, un réseau 2x2 est formé lorsque le monomère est libéré. 2 copies de trimers peuvent également être réalisées, formant un réseau 2x2 libérant un dimère.

Si, pendant les réactions de déplacement, il n'y a pas de déconnexion spontanée des carreaux, il n'y aura pas de pièges cinétiques, grâce auxquels les carreaux seront collectés dans une configuration 2x2.

Il était nécessaire de vérifier si un ADN-origami en déplacerait un autre dans la structure générale, sans se lier spontanément à l'intérieur de la structure elle-même. En d'autres termes, que l'origami ADN fasse preuve d'initiative ou non. Pour cela, deux expériences ont été menées.


Expérience pratique: 2 tuiles ADN (carrés) + 1 triangle ADN, qui devraient former une structure commune.

Dans la première expérience, 2 tuiles d'ADN et 1 triangle d'ADN ont été impliqués; l'expérience elle-même a été réalisée à température constante. Structurellement, un triangle pourrait avoir le même domaine de connexion que les carrés, ou il pourrait avoir un domaine de connexion supplémentaire complétant le carré adjacent.

Dans la première version de l'expérience, 2 carrés restent connectés les uns aux autres, tandis que le triangle se connecte à l'un des carrés. Dans la deuxième version, un triangle remplaçait l'un des carrés, le déplaçant pour ainsi dire. En pratique, cela a montré qu'il est possible de modifier l'origami ADN complexe. Mais maintenant, nous devons nous assurer que ce processus est contrôlé par les scientifiques et ne se produit pas seul en raison des forces naturelles.


Image n ° 1

Si nous parlons de réactions de déplacement dans les chaînes d'ADN, alors nous avons ici une chaîne avec un domaine de liaison qui se connecte à un domaine complémentaire «libre». Nous obtenons donc une structure double brin dans laquelle le processus de migration de branche se produit lorsque les chaînes se déplacent à travers le point de connexion ( 1a ). Un processus similaire se produit dans les réactions de déplacement d'ADN des carreaux ( 1b et 1c ).

À partir de l'image 1c, nous pouvons également voir que chaque tuile d'ADN se compose de 4 triangles isocèles reliés par des accolades, que nous connaissons déjà.

Concernant le jeu du tic-tac-toe: pour une visualisation plus pratique, le processus de déplacement et de reconfiguration des participants a été marqué d'une croix (X) et d'un orteil (O) au moyen de crochets de deux couleurs différentes. Examinez de plus près l'image n ° 1, X (noir) et O (blanc) sont visibles sur les carreaux.

Cinétique des réactions de déplacement de l'ADN des carreaux

En termes simples, prendre le contrôle de la cinétique d'un processus doit accélérer certaines réactions et ralentir d'autres. De cette manière, la jonction, la déconnexion et la reconfiguration des tuiles peuvent être réalisées. Mais vous devez déterminer la plage de cinétique qui permet de le faire. Pour ce faire, les scientifiques ont créé des points de connexion (entre les tuiles) avec différentes forces, pour ainsi dire, de couplage.

Le nombre d'agrafes sur le connecteur dans le domaine de migration de branche était le même pour toutes les tuiles. Mais ici, le domaine du domaine de référence (points de rattachement) variait de 0 à 4 ( 1d ).

L'expérience a impliqué la tuile principale (les 4 points de communication sont tous «actifs») et les tuiles accessoires (le nombre de points de connexion variait de 0 à 4). À la fin du domaine de migration des branches, 2 paires d'agrafes ont été modifiées avec un fluorophore et un extincteur. Si la tuile accessoire reste en contact avec la tuile principale, alors le fluorophore sera éteint, ce qui conduira à un faible signal fluorescent. Mais si la tuile accessoire (avec le registre) est déconnectée, le signal fluorescent s'amplifie. Ainsi, il sera possible de déterminer comment le processus se déroule.

Un jour plus tard, il a été possible de tirer les premières conclusions des observations. Les scientifiques notent que les trajectoires fluorescentes des tuiles accessoires avec 0 supports de connexion sont restées pratiquement inchangées. Il a également été noté que les carreaux ayant la même longueur de la nervure de connexion, mais avec un grand nombre de points de connexion, présentent une cinétique beaucoup plus rapide. Il est curieux que les points de connexion avec les agrafes à 1 nucléotide et 2 nucléotide présentent des taux de saturation très différents (saturation).

L'image 1e montre le modèle mathématique utilisé pour l'estimation numérique de la cinétique. Les scientifiques eux-mêmes disent que le modèle est très simple et est souvent utilisé pour évaluer la cinétique des réactions de déplacement de la chaîne d'ADN, et est donc également adapté aux carreaux d'ADN.

Une analyse comparative des simulations ( 1f ) (réactions simulées) et des expériences a permis de déterminer les paramètres qui affectent le processus de recombinaison des carreaux d'ADN.

Tout d'abord, les scientifiques notent que la vitesse de jonction des carreaux est 10 à 100 fois (selon la longueur du bord du carreau de jonction) inférieure à la vitesse de jonction des brins d'ADN. Une chose courante entre les processus de déplacement des carreaux et des fils est qu'avec une augmentation du nombre de nucléotides aux points de connexion, le taux de décroissance diminue de façon exponentielle. Dans le même temps, cette vitesse est 40 fois plus faible pour les carreaux que pour les brins d'ADN. Le déplacement total maximum pour les carreaux d'ADN (vitesse de réaction) était de 4,5 x 10 ⁵ M ^-1 * s ^-1 . Si la concentration est faible (<50 nM), le taux de liaison bimoléculaire limitera le taux de déplacement des carreaux. Si la concentration est supérieure à 50 nanomoles, le taux de déplacement monomoléculaire limitera le taux de déplacement des carreaux.

De plus, les scientifiques ont mené plusieurs expériences décrivant 3 types principaux de reconfiguration: compétitive, séquentielle et coopérative. Et maintenant, regardons plus en détail les résultats des expériences pour chacun d'eux.

Reconfiguration compétitive

Pour réaliser une reconfiguration compétitive, les scientifiques ont proposé d'utiliser une fonction sigmoïde en réponse à la concentration du signal, obtenant ainsi un système de reconfiguration basé sur l'information. Cette fonction est un élément important des calculs de logique numérique des processus de déplacement de brin d'ADN, elle peut donc également être appliquée aux tuiles d'ADN.


Image n ° 2

Afin de démontrer le «travail» de la fonction sigmoïde, les scientifiques ont créé 2 réactions de déplacement de tuile concurrentes qui sont activées par la même tuile subordonnée. La différence de vitesse ( 2a ).

Dans les tuiles accessoires, le point de connexion est de quatre agrafes à 2 nucléotides. Il est prévu qu'il se connecte avec un point de liaison approprié et avec quatre agrafes à 1 nucléotide. La vitesse de réaction des tuiles accessoires diffère de 18 fois. Lorsque la concentration des carreaux accessoires était inférieure à 2 nM, une réaction plus rapide ( 2b ) s'est déclenchée. Si la concentration était supérieure à 2 nM, une réaction plus lente a commencé.

Après 24 heures, il a été constaté que le résultat d'une réaction plus rapide augmentait linéairement et le résultat d'une réaction plus lente montrait une fonction sigmoïde ( 2c ).

Reconfiguration séquentielle

La reconfiguration concurrentielle a été cohérente. Ce type est beaucoup plus compliqué, mais donne plus de contrôle sur le processus, à moins bien sûr que tout fonctionne.

Ainsi, les scientifiques ont créé un réseau 2x2 dans lequel la première sous-tuile déplace une autre tuile, libérant ainsi le point de connexion précédemment utilisé. Ensuite, la deuxième structure subordonnée de 2 tuiles décale 2 tuiles du tableau. Une sorte de déplacement en cascade ( 3a ).


Image n ° 3

Les scientifiques ont remarqué que le déplacement aux coins des carreaux est lent, environ 100 fois plus lent que dans le reste du bord du carreau. Par conséquent, de tels états intermédiaires de déplacement doivent être pris en compte pour des procédures de reconfiguration plus complexes.

Dans l'image 3b, nous pouvons voir des résultats assez réussis de l'expérience avec la reconfiguration séquentielle (courbe orange).

Et maintenant, il y a un peu plus de créativité de la part des chercheurs. Faites attention aux images ci-dessus ( 3b ): les tableaux qui ont réagi à la première tuile subordonnée, mais pas à la seconde, ressemblent finalement à un «visage triste». Mais les tableaux, dans lesquels la connexion avec les deux tuiles subordonnées a réussi, ressemblent à un «visage souriant». Et vous dites que les scientifiques n'ont aucun sens de l'humour.

Selon les scientifiques, plus la structure des participants à la réaction est complexe, plus le processus de reconfiguration lui-même est compliqué, mais plus le résultat est intéressant. L'utilisation de deux types de participants (réseau 2x2 et structure à deux carreaux) a montré les résultats suivants sur l'efficacité de déplacement après 48 heures d'observation: 83,3 ± 9,8% et 90,5 ± 6,1%. En d'autres termes, les réactions de déplacement sont excellentes. Il y a quelques erreurs, mais elles sont insignifiantes.

Les expériences de reconfiguration séquentielle ont permis non seulement de comprendre les principes de base de la séquence des points de communication et de la "cascade" de la réaction, mais ont également démontré de nouvelles fonctionnalités. Le système est capable de répondre à plus d'un signal indiquant quelles instructions doivent être exécutées et ce qui est disponible pour cela. Ce signal est présenté dans l'expérience sous la forme de deux types de structures subordonnées. Même si la première structure subordonnée entre en contact avec la base plus tôt que la seconde, la structure affiche toujours la reconfiguration attendue.

Ces processus se déroulent pour la plupart d'eux-mêmes. Les scientifiques ne les contrôlent que légèrement, mais n'interviennent pas complètement. La prochaine étape des expériences consiste à accroître le contrôle du processus de reconfiguration et à étudier la possibilité de programmer ce processus.

Reconfiguration coopérative

Dans cette expérience, il y avait 2 tuiles accessoires qui se connectaient aux deux bords de la matrice 2x2 ( 3s ). Si une seule tuile est présente, elle doit se déplacer vers le centre du tableau. De plus, l'absence d'une deuxième tuile vous permet d'inverser le processus, déconnectant ainsi à plusieurs reprises la tuile accessoire de la baie. En présence des deux tuiles subordonnées, deux processus de migration de branche se produisent immédiatement, qui convergent au centre du réseau, et en conséquence nous obtenons un déplacement coopératif.

L'expérience de la fluorescence a montré que s'il n'y a qu'une seule tuile subordonnée, le signal de fluorescence est très faible, mais amplifié si les deux tuiles sont présentes ( 3d : courbe bleue et verte - signal faible, jaune - signal fort).

Comme dans l'expérience précédente, les tableaux qui interagissent avec une seule tuile subordonnée étaient marqués comme «visage triste», et les tableaux et les deux tuiles étaient «visage souriant». De plus, ce dernier s'est formé dans 68,0 ± 7,7% des cas.

Tic Tac Toe

Et enfin, l'expérience «tic-tac-toe». Dans cette expérience, un réseau 3x3 a été utilisé, ce qui permet 9 réactions de déplacement de carreaux uniques dans n'importe quel ordre ( 4a ).


Image n ° 4

Cette expérience est une combinaison de plusieurs types de réactions à la fois: le déplacement de la tuile d'angle, le déplacement de la tuile de bord et le déplacement de la tuile centrale. Le long du périmètre du réseau entre chaque tuile adjacente était un point de connexion, un total de 8 de ces points. 4 d'entre eux ont participé au déplacement de la tuile d'angle, lorsque la tuile accessoire avec le point de connexion correspondant est en contact avec la tuile de bord près du coin. À ce stade, la branche migre à l'intérieur du bord de la tuile et selon un angle de 90 °, et la tuile d'angle précédemment connectée à la matrice est libérée et intégrée dans la matrice elle-même (à l'intérieur de la matrice lorsqu'elle était précédemment sur le bord). Les 4 autres points d'attache ont été utilisés pour activer le déplacement des tuiles de bord.

La chose la plus difficile dans cette expérience a été d'amorcer un déplacement de la tuile centrale, en raison du nombre limité de points de communication disponibles. Par conséquent, 4 points supplémentaires ont été ajoutés entre la tuile centrale et toutes les tuiles voisines ( 4a ).

Les observations ont montré d'excellents résultats. Toutes les sous-tuiles ont été intégrées dans la matrice, qui a été reconstruite comme les scientifiques l'avaient prévu. Le pourcentage de conversion dans le réseau était le suivant: 78,4 ± 6,0% pour le déplacement des tuiles d'angle, 52,8 ± 6,0% pour le déplacement des tuiles de bordure et 100% des centrales.

Et maintenant, nous nous tournons directement vers le jeu lui-même, qui combine tous les types de réactions sous la forme d'une cascade. Le plateau de jeu était un tableau 3x3, toutes les tuiles étaient «propres», c'est-à-dire qu'elles n'étaient marquées d'aucune façon.

Chacun des joueurs, dont il y avait 2 naturellement, a reçu à sa disposition 9 tuiles subordonnées marquées «X» et «O». Faire un pas dans ce jeu, c'est ajouter cette tuile à la chambre de test avec un intervalle de 24 heures (un long lot de tic-tac-toe, n'est-ce pas).


Démonstration vidéo de jouer au tic-tac-toe en utilisant des tuiles d'ADN.

Les observations ( 4b et 4c ) ont montré que le terrain de jeu réagissait à tous les mouvements, c'est-à-dire que la reconfiguration s'est déroulée selon les instructions des joueurs (en ajoutant des tuiles marquées).

Tout le problème était qu'à la fin du jeu sur le terrain, il y avait beaucoup de tuiles accessoires, respectivement, la probabilité de leur déplacement spontané augmentait. Ainsi, la précision de la reconfiguration a également été réduite. À la fin de la partie, cet indicateur n'était que de 8,3 ± 2,3%. Cependant, le résultat a toujours été atteint, comme nous pouvons le voir sur les images ci-dessus.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de la recherche et des expériences, je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Le jeu des tuiles d'ADN tic-tac-toe a été réalisé non pas pour le plaisir, mais comme méthode de démonstration d'une étude très sérieuse qui révèle la capacité de manipuler les processus de déplacement d'éléments dans des nanostructures construites à partir d'ADN.

Bien sûr, beaucoup reste à peaufiner: le nombre de tuiles accessoires affectant le taux final de reconfiguration, le taux de réactions, la précision du déplacement, l'expansion des options de déplacement possibles et, bien sûr, l'augmentation des dimensions de la structure d'ADN reconfigurable.

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