Une petite « main » à quatre doigts pliée à partir d’un seul morceau d’ADN peut détecter le virus à l’origine du COVID-19 pour une détection rapide très sensible et peut même empêcher les particules virales de pénétrer dans les cellules pour les infecter, Université de l’Illinois Urbana-Champaign rapport des chercheurs. Surnommée NanoGripper, la main nanorobotique pourrait également être programmée pour interagir avec d'autres virus ou pour reconnaître des marqueurs de surface cellulaire pour une administration ciblée de médicaments, par exemple pour le traitement du cancer.
Dirigés par Xing Wang, professeur de bio-ingénierie et de chimie à l'Université d'I., les chercheurs décrivent leurs avancées dans la revue Robotique scientifique.
Inspirés par le pouvoir de préhension de la main humaine et des griffes des oiseaux, les chercheurs ont conçu le NanoGripper avec quatre doigts pliables et une paume, le tout dans une nanostructure pliée à partir d'un seul morceau d'ADN. Chaque doigt a trois articulations, comme un doigt humain, et l'angle et le degré de courbure sont déterminés par la conception de l'échafaudage d'ADN.
« Nous voulions fabriquer un robot en matériau souple, à l'échelle nanométrique, doté de fonctions de préhension jamais vues auparavant, pour interagir avec les cellules, les virus et d'autres molécules pour des applications biomédicales », a déclaré Wang. « Nous utilisons l'ADN pour ses propriétés structurelles. Il est solide, flexible et programmable. Pourtant, même dans le domaine de l'origami ADN, c'est nouveau en termes de principe de conception. Nous plions un long brin d'ADN d'avant en arrière pour créer l'ensemble. les éléments, à la fois les pièces statiques et mobiles, en une seule étape.
Les doigts contiennent des régions appelées aptamères d'ADN qui sont spécialement programmées pour se lier à des cibles moléculaires ; la protéine Spike du virus responsable du COVID-19, pour cette première application – ; et déclenchez les doigts pour qu'ils se plient pour s'enrouler autour de la cible. Du côté opposé, là où se trouverait le poignet, le NanoGripper peut se fixer à une surface ou à un autre complexe plus grand pour des applications biomédicales telles que la détection ou l'administration de médicaments.
Pour créer un capteur permettant de détecter le virus COVID-19, l'équipe de Wang s'est associée à un groupe dirigé par Brian Cunningham, professeur de génie électrique et informatique de l'Illinois, spécialisé dans la biodétection. Ils ont couplé le NanoGripper à une plate-forme de capteurs à cristaux photoniques pour créer un test COVID-19 rapide de 30 minutes correspondant à la sensibilité des tests moléculaires qPCR de référence utilisés par les hôpitaux, qui sont plus précis que les tests à domicile mais prennent beaucoup plus de temps. .
« Notre test est très rapide et simple puisque nous détectons directement le virus intact », a déclaré Cunningham. « Lorsque le virus est tenu dans la main du NanoGripper, une molécule fluorescente est déclenchée pour libérer de la lumière lorsqu'elle est éclairée par une LED ou un laser. Lorsqu'un grand nombre de molécules fluorescentes sont concentrées sur un seul virus, celui-ci devient suffisamment brillant dans notre système de détection pour comptez chaque virus individuellement.
En plus des diagnostics, le NanoGripper pourrait avoir des applications en médecine préventive en empêchant les virus de pénétrer et d'infecter les cellules, a déclaré Wang. Les chercheurs ont découvert que lorsque des NanoGrippers étaient ajoutés à des cultures cellulaires qui étaient ensuite exposées au COVID-19, plusieurs pinces s’enroulaient autour de l’extérieur des virus. Cela a empêché les protéines virales de pointe d’interagir avec les récepteurs à la surface des cellules, empêchant ainsi l’infection.
« Il serait très difficile de l'appliquer après qu'une personne soit infectée, mais il existe un moyen de l'utiliser à titre thérapeutique préventif », a déclaré Wang. « Nous pourrions fabriquer un spray nasal antiviral. Le nez est le point chaud des virus respiratoires, comme le COVID ou la grippe. Un spray nasal avec le NanoGripper pourrait empêcher les virus inhalés d'interagir avec les cellules du nez. »
Le NanoGripper pourrait facilement être conçu pour cibler d'autres virus, tels que la grippe, le VIH ou l'hépatite B, a déclaré Wang. De plus, Wang envisage d'utiliser le NaoGripper pour une administration ciblée de médicaments. Par exemple, les doigts pourraient être programmés pour identifier des marqueurs spécifiques du cancer, et les pinces pourraient transporter des traitements anticancéreux directement vers les cellules cibles.
« Cette approche a un plus grand potentiel que les quelques exemples que nous avons démontrés dans ce travail », a déclaré Wang. « Il y a quelques ajustements que nous devrons faire avec la structure 3D, la stabilité et le ciblage des aptamères ou des nanocorps, mais nous avons développé plusieurs techniques pour le faire en laboratoire. Bien sûr, cela nécessiterait de nombreux tests, mais le les applications potentielles pour le traitement du cancer et la sensibilité obtenue pour les applications de diagnostic mettent en valeur la puissance de la nanorobotique douce. »
Les National Institutes of Health et la National Science Foundation ont soutenu ce travail. Wang et Cunningham sont affiliés à l'Institut Carl R. Woese de biologie génomique et au laboratoire de micro et nanotechnologie Holonyak de l'Université d'I.
