S’inspirant de l’architecture dynamique des systèmes vivants, des chercheurs de l’Institut des sciences de Tokyo et de l’Université de Kyoto ont exploité deux nanomachines biomoléculaires alimentées chimiquement, l’ADN polymérase et la kinésine, pour synthétiser et assembler activement des réseaux d’ADN complexes et hiérarchiques. Ce travail ouvre la voie à des matériaux synthétiques programmables et réalistes, construits à l’échelle nanométrique.
Les nanomachines biomoléculaires, telles que les enzymes et les moteurs moléculaires, sont les bêtes de somme derrière la synthèse et l’organisation de matériaux complexes dans la vie. Alimentés par l’énergie chimique, ils construisent, transportent et organisent des biomolécules, permettant aux systèmes vivants de créer et de maintenir des structures hautement ordonnées, loin de l’équilibre thermodynamique.
Dans les systèmes vivants, la synergie de plusieurs nanomachines effectuant des étapes séquentielles et consommatrices d’énergie est cruciale pour construire des structures ordonnées. Imiter un tel assemblage chimique et mécanique ascendant de la matière par des moyens artificiels reste cependant un défi. Les composants individuels ont progressé dans la robotique moléculaire, y compris les moteurs moléculaires à base de protéines qui assurent un transport actif pour surmonter les limites de diffusion, mais relier le travail de plusieurs nanomachines dans un processus par étapes, où l’on passe la main à l’autre, s’est avéré beaucoup plus difficile. En particulier, deux objectifs restent inexplorés : parvenir à un auto-assemblage dissipant l’énergie grâce à des processus dynamiques et reproduire la coordination en plusieurs étapes de différentes fonctions enzymatiques et motrices observées dans la vie.
Dans une étude récente, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Shogo Hamada (tenure track) du Département d’informatique de l’École d’informatique de l’Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, codirigée par le professeur Akira Kakugo de l’Université de Kyoto, au Japon, a développé un système qui forme dynamiquement des matériaux de réseau d’acide désoxyribonucléique (ADN) grâce à un processus ascendant piloté par deux types de nanomachines biomoléculaires, l’ADN polymérase et des moteurs moléculaires. L’équipe internationale comprenait le Dr Farhana Afroze (Université de Hokkaido, Japon), le Dr Richard Archer (Science Tokyo) et le professeur Tetsuya Hiraiwa (Institut de physique, Academia Sinica, Taiwan). Mis à disposition en ligne le 11 juin 2026 et publié dans le volume 22, numéro 36 de la revue Petit le 26 juin 2026, les travaux marqueront une étape clé vers la construction de matériaux hors équilibre qui imitent la façon dont les systèmes vivants s’organisent.
S’inspirant de la synergie des systèmes moléculaires coopérants de la vie, l’équipe a conçu un processus en deux étapes pour synthétiser et assembler des matériaux à l’échelle nanométrique. Premièrement, l’ADN polymérase a amplifié des matrices d’ADN attachées aux microtubules par amplification en cercle roulant (RCA), faisant croître de longs brins d’ADN directement sur les microtubules. Les protéines motrices de la kinésine fixées à un substrat ont ensuite consommé de l’adénosine triphosphate (ATP) pour propulser ces microtubules porteurs d’ADN à travers la surface. Lorsque les microtubules glissants sont entrés en collision, les brins d’ADN qui les chevauchaient sont entrés en contact et se sont connectés. À mesure que les microtubules se déplaçaient, ils étiraient et tiraient mécaniquement les brins d’ADN joints, ce qui entraînait un réseau croissant d’architectures organisées ressemblant à des fibres. En bref, l’ADN polymérase a généré le matériau moléculaire et les moteurs kinésine alimentés par l’ATP l’ont physiquement assemblé en structures interconnectées.
D’autres expériences ont confirmé que l’activité motrice est essentielle au processus. Aucun réseau d’ADN ne s’est formé lorsque la kinésine était absente ou lorsque l’ATP était épuisé, puisque les moteurs dépendent de l’ATP pour fonctionner. L’équipe a également identifié les conditions qui contrôlent la formation du réseau. L’augmentation de la densité des microtubules et du temps de synthèse de l’ADN a donné lieu à des réseaux présentant une connectivité et une complexité structurelle plus élevées.
Les résultats expérimentaux ont été étayés par des études de simulation. Sans force active, les chaînes modèles imitant l’ADN se replient dans des états compacts ; cependant, avec une propulsion de type moteur, plusieurs chaînes se sont activement déployées et connectées, reproduisant qualitativement les architectures de réseau observées dans les expériences.
Plus largement, l’étude offre un cadre pour étudier comment plusieurs processus biomoléculaires actifs peuvent coopérer pour construire des structures d’ordre supérieur. Bien que l’étude ne quantifie pas encore l’énergie chimique consommée et dissipée lors de l’assemblage, les résultats montrent que le mouvement moléculaire actif est un moteur clé de la formation de réseaux, une étape vers des matériaux qui s’assemblent et s’organisent comme le font les systèmes vivants.
En couplant la synthèse moléculaire à la génération de forces mécaniques, nous avons franchi une étape cruciale vers la création de matériaux synthétiques imitant les stratégies de construction dynamique des systèmes vivants. Nous envisageons ce cadre ascendant ouvrant la voie à des matériaux dynamiques, programmables et réalistes dotés de caractéristiques auto-réparatrices, auto-entretenues et auto-évolutives qui pourraient trouver des applications dans le monde réel, notamment le calcul moléculaire et la robotique moléculaire.
Shogo Hamada (tenure track), professeur adjoint, Département d’informatique, School of Computing, Institute of Science Tokyo
