Comment des molécules denses assemblent des gouttelettes d'ADN synthétique

Élever les températures de condensation grâce aux polymères

À l'intérieur des cellules vivantes, les protéines et les acides nucléiques s'assemblent en compartiments denses appelés condensats biomoléculaires. Ces compartiments se forment par séparation de phases liquide-liquide, mais les reproduire dans des solutions de laboratoire pures exige souvent des conditions différentes de l'intérieur cellulaire encombré. Pour faire avancer cette innovation biochimique, un groupe de recherche dirigé par le professeur Masahiro Takinoue à l'Institute of Science Tokyo a conçu des structures ramifiées synthétiques en forme de Y appelées nanoétoiles d'ADN, comme le rapporte Phys.org.

Les nanoétoiles se lient entre elles grâce à de courtes séquences complémentaires appelées extrémités collantes. Refroidies depuis 85 °C sans additifs, les nanoétoiles ne se condensaient en gouttelettes qu'en dessous de 63 °C. L'ajout d'agents de densification a modifié ce seuil. L'introduction d'une concentration de 10 % de polyéthylène glycol (PEG) a permis aux gouttelettes de s'assembler à 76 °C, tandis que le dextrane et le Ficoll ont porté les températures d'assemblage à 65 °C et 67 °C, respectivement. Le PEG de haute masse moléculaire de 7,5 kDa s'est révélé l'agent le plus efficace. Le PEG ne pouvait pas déclencher la condensation à lui seul : testé sur des nanoétoiles dépourvues d'extrémités collantes, aucune gouttelette ne s'est formée.

« Ces résultats révèlent que l'encombrement macromoléculaire n'est pas seulement une caractéristique de l'environnement cellulaire, mais constitue aussi un puissant paramètre de conception pour l'ingénierie de condensats d'ADN artificiels. »

— Masahiro Takinoue, professeur à l'Institute of Science Tokyo

Regrouper les gouttelettes sans les fusionner

Les chercheurs ont également testé si l'encombrement pouvait contrôler la manière dont différentes gouttelettes s'organisent. Comme détaillé dans la revue JACS Au et rapporté par Phys.org, l'équipe a préparé deux ensembles distincts de nanoétoiles dont les extrémités collantes ne pouvaient pas se lier entre elles. Dans des conditions normales, ces populations formaient des gouttelettes séparées qui restaient à l'écart et ne fusionnaient pas.

L'ajout de PEG a modifié leur comportement spatial. La pression osmotique environnante a amené les gouttelettes dissemblables en contact direct tout en les empêchant de fusionner en une seule phase liquide. En ajustant la concentration de PEG, le rapport des nanoétoiles et la concentration en sel de la solution, l'équipe a produit des réseaux alternés. Dans d'autres tests, les chercheurs ont organisé jusqu'à trois types distincts de nanoétoiles d'ADN en motifs ordonnés.

Des condensats moléculaires aux machines programmables

L'étude a été menée avec l'étudiant diplômé Naoki C. Yoshida de Science Tokyo, la Dre Mayu Shono de The University of Tokyo et le professeur Kenichi Yoshikawa de l'université Doshisha. Dans leurs travaux publiés, les auteurs décrivent l'encombrement non pas comme un simple bruit de fond à l'intérieur d'une cellule, mais comme un paramètre de contrôle direct pour la biologie de synthèse.

Si les articles scientifiques détaillant une chimie fondamentale n'aboutissent pas toujours à un brevet commercial ou à des dépôts immédiats de propriété intellectuelle, les principes établis par cette invention synthétique pourraient guider des dispositifs concrets. Takinoue a noté que la méthode fournit des règles de conception pour développer des tissus cellulaires artificiels, des réseaux de communication moléculaire, des systèmes de calcul moléculaire et des micromachines programmables qui fonctionnent par auto-organisation guidée.

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