Les scientifiques décrivent souvent la vie comme une série de réactions chimiques. Pallav Kosuri, PhD, décrit la vie comme un mouvement. Les réactions chimiques sont la façon dont vous conduisez le mouvement d’atomes, de protéines, de cellules et de corps, sans mouvement, il n’y a pas vie.
« Si vous ne savez pas comment quelque chose bouge, vous ne savez pas ce qu’il fait », explique Kosuri. « Et si vous voulez comprendre, manipuler et modifier la fonction des molécules, comprendre leurs mouvements physiques est tout aussi important que comprendre leurs réactions chimiques. La différence est la suivante : nous avons un catalogue complet des réactions chimiques, tandis que le côté mécanique est toujours le Far West. »
Le laboratoire de Kosuri envisage de changer cela. Ils ont commencé par Origami ADNune méthode qui utilise des éléments constitutifs de l’ADN pour créer des nanostructures personnalisées et auto-assemblées avec une gamme d’applications : administration de médicaments, dispositifs de laboratoire sur puce et maintenant découverte biologique fondamentale. Puis ils ont développé ORBITEune méthode qui utilise l’origami d’ADN pour construire des nanostructures fluorescentes permettant de visualiser les mouvements moléculaires.
Les limitations techniques ont longtemps rendu difficile, voire impossible, la mesure du mouvement moléculaire sur de longues périodes. La microscopie à fluorescence est une technologie puissante, mais les temps d’observation sont limités par la durée pendant laquelle les étiquettes fluorescentes restent lumineuses. Au fil du temps, elles s’assombrissent toujours.
Leur dernier ouvrage, publié dans Méthodes de rapports de cellules le 13 août 2026, surmonte ce défi avec une nouvelle stratégie de « cycle de teinture » pour ORBIT qui réapprovisionne constamment les étiquettes fluorescentes, étendant la fenêtre de temps de mesure de quelques secondes à quelques heures. Cela leur a permis de mesurer la rotation d’une seule molécule d’ARN polymérase lorsqu’elle « lit » l’ADN avec une résolution de paires de bases et sur des durées sans précédent. La nouvelle méthode pourrait fournir des informations mécaniques essentielles sur la manière dont les gènes sont transcrits dans les cellules.
Sommaire
Qu’est-ce que l’origami ADN ?
L’ADN à l’intérieur de chaque cellule de notre corps est le résultat de milliards d’années d’évolution et d’optimisation. La structure de l’ADN repose sur des éléments complémentaires les acides nucléiques, représenté en sténographie par A, T, C et G. Chaque « lettre » d’acide nucléique a un partenaire avec lequel elle s’emboîte (A avec T ; C avec G) pour créer la double hélice emblématique en forme d’échelle que nous connaissons bien.
La capacité unique des brins d’ADN à s’associer et à s’assembler les uns avec les autres a inspiré une idée il y a plusieurs décennies : et si nous utilisions les éléments architecturaux innés de l’ADN pour construire des structures autres que la double hélice ?
Les structures d’origami à ADN se construisent toutes seules : leur structure est codée dans leur composition. Ceci est essentiel pour notre capacité à atteindre une précision quasi atomique dans nos conceptions. »
Pallav Kosuri, PhD, auteur principal de l’article et professeur adjoint à Salk
Dans une approche de construction descendante, vous êtes limité à des dizaines de nanomètres comme meilleure résolution possible. Mais comme l’origami ADN s’auto-assemble, les structures peuvent être construites de bas en haut, ce qui permet une résolution beaucoup plus petite tout en conservant précision et personnalisation.
« Vous pouvez concevoir des structures 3D avec une précision et une résolution supérieures à celles des méthodes de fabrication commerciales, et sans aucune machine : il vous suffit d’assembler les composants et de les laisser se combiner pour créer quelque chose à l’échelle nanométrique, voire plus petite », poursuit Kosuri. « C’est rapide à itérer ; c’est bon marché ; c’est biodégradable ; et c’est vraiment amusant de travailler avec. »
Pourquoi étudier les mouvements moléculaires ?
Le laboratoire de Kosuri est devenu un pionnier dans la recherche sur l’origami ADN, à tel point qu’il a été recruté par l’ingénieur et éducateur Mark Rober pour construire le plus petit pistolet Nerf au monde entièrement à partir d’ADN. Les deux hommes ont réalisé une vidéo éducative qui est devenue virale sur YouTube et a été vue à ce jour par plus de 80 millions de téléspectateurs dans le monde. Alors que le laboratoire Kosuri a grandement apprécié l’opportunité de présenter les possibilités de conception de l’ADN, il se tourne désormais vers la révélation du mouvement moléculaire à l’aide de ces mêmes techniques.
Les protéines qui interagissent avec l’ADN, comme l’ARN polymérase, doit tourner en raison de la structure hélicoïdale de l’ADN. L’ARN polymérase transcrit les informations génétiques de l’ADN en ARN, fournissant des instructions que la machinerie cellulaire utilise pour construire des protéines essentielles au maintien de la vie et de la santé cellulaires.
La transcription de l’ADN par l’ARN polymérase est essentielle au développement et à l’activité quotidienne de chaque cellule. Pourquoi, alors, n’étudions-nous pas le mouvement de cette machine moléculaire clé ?
« Eh bien, nous ne pouvons tout simplement pas voir le mouvement : le diamètre de la rotation circulaire de l’ADN est 100 fois plus petit que la longueur d’onde de la lumière visible », explique Kosuri. « Mais au lieu de mesurer cela, nous avons pensé pouvoir assembler un rotor d’origami à ADN qui est visible, attachez-le au brin d’ADN, puis mesurez le mouvement du rotor à la place.
Qu’est-ce qu’ORBIT ?
ORBIT fait exactement cela ; Il s’agit d’une méthode développée par Kosuri qui utilise des rotors d’origami d’ADN marqués par fluorescence pour suivre la rotation de l’ADN lors de sa rotation lors de son interaction avec l’ARN polymérase. Grâce à la nature précise et personnalisée de l’origami ADN, la méthode conserve une résolution d’une seule paire de bases, permettant aux scientifiques de mesurer la rotation lorsque l’ARN polymérase traverse chaque paire de bases, de AT à CG, etc.
« C’est aussi simple que d’attacher un objet plus grand à un objet plus petit », explique Kosuri. « Maintenant, lorsque le plus petit objet tourne, nous pouvons voir le plus gros objet tourner et l’enregistrer dans un microscope standard. »
Le rotor en origami d’ADN attaché au brin d’ADN ressemble beaucoup à un ouvre-bouteille : une longue tige en tire-bouchon attachée à une grande poignée en forme de X avec une étiquette de colorant fluorescent. Une fois que la tige en spirale est attachée à l’ARN polymérase, la grande poignée fluorescente en forme de X amplifie le mouvement de l’ADN en spirale sous-jacent, afin que les scientifiques puissent voir et mesurer la rotation.
« ORBIT avait le potentiel d’être une méthode puissante pour étudier l’ARN polymérase et d’autres protéines qui interagissent avec l’ADN », déclare la première auteure Amanda Wacker, PhD, qui a récemment terminé son doctorat dans le laboratoire de Kosuri. « Mais, comme d’autres méthodes de suivi de la fluorescence, les temps d’observation d’ORBIT sont limités par le photoblanchiment des étiquettes fluorescentes sur le rotor d’origami à ADN. C’est ce qui a inspiré ORBIT le cycle de teinture. »
Qu’est-ce que le cycle de teinture ORBIT ?
Les étiquettes fluorescentes sont chimiquement endommagées au fil du temps lorsqu’elles émettent de la lumière. Pour Kosuri et Wacker, cela signifie qu’ORBIT ne peut suivre que le mouvement de quelques paires de bases avant que la fluorescence ne disparaisse. Le cycle de teinture offre une solution à ce problème.
Plutôt que d’attacher une seule étiquette fluorescente au rotor d’origami d’ADN, la stratégie de cycle de teinture permet aux sondes fluorescentes de se réapprovisionner constamment tout au long de l’observation. En d’autres termes, le rotor continue d’être ravitaillé en plein vol.
« L’association du cycle de teinture avec ORBIT nous a permis de surmonter les limitations du photoblanchiment et de suivre la transcription de l’ARN polymérase sur de longues périodes tout en conservant notre résolution de paire de bases unique », explique Wacker. « Nous avons pu utiliser ORBIT à cycle de colorant pour suivre ensuite les rotations de l’ADN pendant la transcription pour 10 minutes« .
ORBIT était à l’origine capable de capturer quelques secondes de mouvement. Alors que l’étude présente 10 bonnes minutes d’utilisation efficace d’ORBIT à cycle de teinture, Kosuri partage que ORBIT à cycle de teinture a depuis été utilisé dans son laboratoire pour capturer le mouvement de heures. La méthode a éliminé un obstacle important dans les méthodes de microscopie à fluorescence.
Que peut nous apprendre le cycle de teinture ORBIT ?
Le cycle de teinture ORBIT sera un outil essentiel pour explorer l’aspect mécanique des biomolécules alors que le laboratoire de Kosuri continue d’être pionnier dans la recherche sur l’origami sur l’ADN. L’étude des mouvements de rotation fondamentaux qui sous-tendent l’expression des gènes approfondira la compréhension scientifique du génome, de ses produits et du fonctionnement ou du dysfonctionnement des cellules.
« La seule raison pour laquelle le côté mécanique est un mystère, c’est parce que nous ne pouvons pas le voir », ajoute Kosuri. « Cette méthode permet de voir les mouvements à un niveau moléculaire fondamental et, par extension, je pense que la méthode pourrait être utilisée pour comprendre le grand univers inexploré des mouvements structurels qui se produisent en biologie. »
