[Construire des nanomachines à partir de leur propre fragmentation]

Des chimistes de l’Université de Montréal ont découvert qu’en brisant des nanomachines en plusieurs morceaux, elles acquièrent de nouvelles fonctionnalités comme être plus sensibles à leur environnement.

La vie sur Terre est possible grâce à des dizaines de milliers de nanomachines biologiques qui ont évolué au cours de millions d’années. Souvent constituées de protéines ou d’acides nucléiques, elles contiennent généralement des milliers d’atomes et font moins de 10 000 fois la taille d’un cheveu humain.

« Ces nanomachines – qui régissent toutes les activités moléculaires de notre corps et leurs problèmes de régulation ou de structure – sont à l’origine de la plupart des maladies humaines », rappelle Alexis Vallée-Bélisle, chercheur principal de l’étude et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en bio-ingénierie et bionanotechnologie.

En étudiant la façon dont ces nanomachines biologiques sont formées dans la nature, les chercheurs ont remarqué que, si certaines sont constituées d’un seul composant ou d’une seule pièce – souvent un long biopolymère –, d’autres sont faites de plusieurs éléments qui se sont assemblés de façon spontanée. Ils se sont alors demandé s’il n’était pas avantageux de les fabriquer à l’aide d’un ou de plusieurs composants moléculaires capables de s’autoassembler.

Pour répondre à cette question, ils ont fabriqué des nanomachines artificielles à base d’ADN susceptibles d’être fragmentées en plusieurs morceaux et étudié si elles pouvaient être réassemblées. L’ADN est une molécule remarquable qui offre une chimie simple, programmable et facile à utiliser. En détruisant des nanomachines à base d’ADN, ils ont adressé des questions fondamentales sur la création et l’évolution des nanomachines biologiques, naturelles ou créées par l’humain.

L’équipe de recherche a démontré que les nanomachines pouvaient facilement résister à la fragmentation, mais plus surprenant encore, que cette fragmentation permettait la création de plusieurs fonctionnalités inédites, telles que différents niveaux de sensibilité à des variations de concentration ou de température ou encore des mutations.

Les chercheurs ont découvert que ces fonctionnalités pouvaient apparaître simplement en contrôlant la concentration de chaque composant de la nanomachine. Ainsi, en coupant une nanomachine en trois composants, ils ont constaté qu’elle s’activait de manière plus sensible lorsque la concentration des composants était élevée. En revanche, lorsque la concentration des composants était faible, cette nanomachine pouvait plutôt être programmée pour s’activer ou se désactiver à un moment précis.

Les nanomachines ont ainsi ce pouvoir d’évoluer positivement en étant partiellement détruites. Contrairement aux objets de la vie courante, les nanomachines ont été conçues grâce à des milliers de forces intermoléculaires dynamiques faibles qui permettent à celles qui sont brisées de se réassembler de manière spontanée.

En plus de fournir aux chercheurs en nanotechnologie une stratégie de conception simple pour mettre au point la prochaine génération de nanomachines, les résultats de l’équipe de l’UdeM permettent de mieux comprendre comment les nanomachines biologiques ont pu évoluer. Déjà dans les années 2000, des biologistes avaient découvert qu’environ 20 % des nanomachines biologiques avaient possiblement évolué par la fragmentation de leurs gènes.