Des chercheurs israéliens utilisent l’ADN pour donner « vie » à de la matière artificielle

Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences affirment avoir utilisé l’ADN pour donner vie à de la matière inanimée, en créant des matériaux artificiels capables de bouger, de changer de forme et de battre en rythme.

Ces travaux, validés par des pairs, pourraient ouvrir la voie à des thérapies de pointe ciblant les cellules malades, ainsi qu’à la robotique souple, englobant des dispositifs médicaux implantables et des prothèses flexibles.

Menés par la Dr. Alexandra Tayar, du département de physique chimique et biologique de l’Institut Weizmann, ces travaux ont fait l’objet de deux articles distincts publiés dans Nature Materials et Nature Physics.

Dans un communiqué, Tayar a déclaré que ces études « pourraient à terme permettre de concevoir des matériaux actifs dotés d’un code génétique leur permettant de modifier leur propre structure et leur fonction à la demande ».

L’étude publiée dans Nature Materials, menée par la doctorante Rochelle Silverman et le chercheur Erez Zerbib du laboratoire de Tayar, en collaboration avec le Pr. Vincent Noireaux et le Dr. David Garenne de l’université du Minnesota, est allée au-delà du simple mélange de protéines motrices prêtes à l’emploi dans un gel artificiel.

Au lieu de cela, ils ont ajouté directement dans le gel de l’ADN contenant le code génétique des protéines motrices. Celui-ci a lu l’ADN, puis a fabriqué les protéines motrices directement dans la boîte de Petri. À mesure que ces nouveaux moteurs microscopiques se mettaient au travail pour pousser et faire glisser les pistes protéiques, l’ensemble du fluide s’est animé, tourbillonnant et changeant de forme.

Les chercheurs ont déclaré que cette découverte démontrait que des matériaux synthétiques inanimés pouvaient être programmés pour construire leurs propres éléments mobiles et contrôler leur propre comportement de l’intérieur, plutôt que de dépendre de commandes externes ou de batteries.

En ajustant la quantité et le moment de transmission des instructions de l’ADN, les scientifiques ont pu déterminer la vitesse de déplacement du matériau, le moment où il démarrait et celui où il s’arrêtait.

Pour diriger ce mouvement, les chercheurs ont utilisé des techniques spécialisées de gravure de puces afin de creuser des canaux et des rainures microscopiques dans le verre contenant le fluide.

Confiné par ces traces physiques minuscules, le matériau auto-alimenté s’écoulait selon des trajectoires prévisibles, prouvant ainsi que la programmation génétique pouvait s’appuyer sur des limites physiques pour diriger un mouvement avec précision.

« Nous avons programmé le matériau pour qu’il se déplace brièvement, puis qu’il s’immobilise », a déclaré Silverman dans un communiqué.

Tayar a indiqué que cette étude « pourrait à terme permettre de concevoir des matériaux actifs dotés d’un code génétique leur permettant de modifier leur propre structure et leur fonction à la demande ».

Cela pourrait ouvrir la voie à des capsules microscopiques autoguidées, par exemple, capables d’assembler leurs propres moteurs, d’atteindre les cellules malades, de libérer des médicaments et de s’éteindre en toute sécurité.

Créer des rythmes

Dans l’étude publiée lundi dans la revue Nature Physics, des chercheurs dirigés par les doctorantes Maya Levanon et Noa Goldberg ont observé un gel rempli de protéines motrices microscopiques dans lequel ils avaient introduit de longs brins d’ADN.

Lorsque les moteurs moléculaires se sont mis en mouvement, les chercheurs ont ajouté de longs brins d’ADN qui se sont emmêlés et ont été fortement tendus jusqu’à ce qu’ils se détendent brusquement. Ce mouvement de va-et-vient a créé un battement régulier et rythmé, et ce, sans recourir à aucune puce électronique, batterie ou engrenage métallique.

Levanon a expliqué que l’équipe avait été « émerveillée » de voir le matériau générer de telles ondes rythmiques, soulignant que plus le réseau d’ADN devenait dense et emmêlé, plus les impulsions gagnaient en intensité.

Pour que ce mouvement coordonné se produise, les brins d’ADN devaient être suffisamment longs pour relier des tourbillons de fluide voisins, a noté Levanon.

En collaboration avec des physiciens du Technion – Institut de technologie d’Israël, les chercheurs ont découvert que la taille physique du récipient déterminait l’amplitude de ces impulsions, prouvant ainsi que de simples limites peuvent orchestrer un mouvement à grande échelle.

Goldberg a expliqué que la taille des vagues dépendait entièrement des parois retenant le liquide, « augmentant en proportion directe de la taille du récipient ». La vitesse des battements dépendait du nombre de minuscules moteurs, un nombre minimal étant nécessaire pour que l’ADN s’emmêle suffisamment afin de déclencher le cycle.

« Nous avons découvert que les oscillations résultent d’une réponse différée du réseau d’ADN », a déclaré Levanon.

« Lorsque la matière active s’écoule dans une direction particulière, par exemple dans le sens des aiguilles d’une montre, elle étire le réseau pendant environ dix minutes, jusqu’à ce que celui-ci atteigne sa limite. Ce n’est qu’alors que le réseau se contracte, entraînant la matière dans la direction opposée. Nous avons également constaté que l’ADN devait être suffisamment long pour qu’un mouvement stable et synchronisé puisse apparaître. »

« Dans notre corps, le mucus visqueux qui tapisse les voies respiratoires et les organes reproducteurs est riche en polymères », a déclaré Tayar.

« De nombreux minuscules ‘nageurs’ se déplacent à travers ce mucus, notamment des bactéries, des médicaments et des spermatozoïdes en route vers l’ovule. On pourrait imaginer qu’il serait difficile de nager dans un fluide visqueux rempli de chaînes moléculaires géantes, mais à notre grande surprise, nos résultats suggèrent que ces chaînes pourraient en réalité synchroniser les mouvements dans la nature et les rendre bien plus efficaces. »

« J’espère que la combinaison de ces différents outils nous permettra à terme de développer des matériaux plus intelligents pour un large éventail d’applications », a-t-elle ajouté.

« Par exemple, des robots souples qui changent de forme au bon moment, au bon endroit et de la bonne manière, ainsi que des traitements qui atteignent leurs cellules cibles plus efficacement. »

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