DNA self assembly:

Design* and algorithmicErik Winfree, * F.Liu, L.A.Wenzler, N.C.Seeman

Origine

L’idée du calcul par auto assemblage de l’ADN provient de la combinaison de trois principaux éléments:

1. Travaux d’Adleman;

2. Problème ou théorie des tuiles (tiling);

3. Nanotechnologies.

Origine

1 . Travaux d’Adleman: Potentiel de l’ADN pour le stockage

d’information et la parallélisme dans les calculs.

Ce calcul en 1 D est limité en terme de possibilités de traiter d’autres types de problème.

Origine

2. Théorie des tuiles (Hao Wang 1961): Le problème : étant donné un

ensemble de tuiles géométriques (e.x: polygones) peut-on (en utilisant chaque tuile autant de fois que l’on souhaite) couvrir tout le plan sans trous?

Exemple de tuiles de Wang

Origine

Le problème est indécidable (Berger 1966). Il se résume au problème d’arrêt de la machine de Turing qui est indécidable. On a donc un outil aussi puissant que les ordinateurs.

Exemples de calcul avec les tuiles

Origine

3. Nanotechnologie : Utilisation de l’ADN avec plus de deux

brins pour obtenir des structures plus complexes.

http://seemanlab4.chem.nyu.edu/nano-cube.html

L’objectif

Comme les tuiles de Wang théoriquement peuvent être conçues pour simuler les opérations de n’importe qu’elle machine de Turing, on veut concevoir des unités moléculaires qui correspondent aux tuiles de Wang.

L’objectif

Les réactions intramoléculaires peuvent être programmées, par la conception de « sticky-ends » qui détermineront quelles molécules s’associeront avec quelles autres et comment.

Design des molécules

Les tuiles de Wang possèdent 4 domaines de fixation. Il faut donc 4 «sticky-ends».

Les Molécules d’ADN DX (double crossover) ont cette caractéristique et sont plus rigides que d’autres molécules à 4 brins.

Design des molécules

Design de l’unité A

Design des molécules

Agencement produits par les unités DAO et DAE.

Chaque triangle représente une unité DX

Design des molécules

Expérimentation

Chaque unité seule pas de formation de structure.

Mélange des unités A et B, après réaction, lavage et observation par microscope à force atomique :

Résultats

Feuilles de plusieurs micromètres de long et 200 nm de large avec une épaisseur de 1.4 ± 0.5 nm qui suggère une seule couche d’ADN.

Résultats par microscope atomique

Assemblage DAO-E AB Assemblage DAE-O AB

Résultats par microscope atomique

Deux vues du même échantillon AB`(DAO-E) avec rayures de périodicité 25 ± 2nm (valeur attendue 25.2 nm)

Résultats par microscope atomique

Deux vues d’échantillons différents AB`(DAE-O) avec rayures de périodicité 33 ± 3 nm (valeur attendue 32 nm)

Résultats par microscope atomique

Même échantillon AB`(DAO-E) à des échelles différentes. Plus large domaine est environ 2x8 micro m et contient environ 500 000 unités DX.

Résultats par microscope atomique

Unités AB avec B marqué par biotin-streptavidin-nanogold

Résultats par microscope atomique

ABCD`(DAO-E) vue à deux niveaux de détails. Rayures de périodicité de 66 ± 5 nm (valeur attendue 64 nm)

Travaux postérieurs

Dizaine de tuiles d’ADN différentes testées. Observation de cristal périodique à deux dimensions;

Inconvénients : Certaines configurations ont tendance à se tordre ou former des tubes;

Fragilité des structures. Problème de manipulation.

Applications possibles…

Résolution de problème combinatoire (chemin Hamiltonien, SAT…).

Ne peut pas encore surpasser les ordinateurs actuels.

Applications possibles…

Construction de circuit à composantes sont moléculaires.

Les éléments seraient attachés aux tuiles d’ADN qui après auto assemblage positionneraient les éléments aux endroits souhaités.