Origami à base d’ADN double brin et protéines: Un nouvel outil pour l’auto-assemblage dirigé

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La technologie ADN origami doit son nom à l’analogie avec l’art japonais de pliage d’une feuille de papier pour créer des formes multiples. Introduit en 2006 par Paul W.K. Rothemund (California Institute of Technology, Etats-Unis) [1], Le concept clef de la technologie origami ADN réside dans la définition de séquences de très courts ADN simples brins qui permettent de contrôler la façon de replier un simple brin long d’ADN. Bien que très puissante, cette approche ne peut pas être mise en œuvre dans des milieux complexes, tels que la cellule par exemple, en raison de l’absence d’une forme stable d’ADN simple brin et de l’impossibilité d’effectuer des cycles thermiques impliquant de relativement "hautes températures" (pour des objets biologiques). Pour pallier à ces inconvénients, Florian Praetorius et Hendrik Dietz [2] (Technische Universitat de Munich, Allemagne) ont appliqué le concept de pliage origami à un ADN double brin en utilisant la reconnaissance en séquence de protéines TAL (Transcription Activator-Like). Les protéines TAL ont été principalement étudiées jusqu’à ce jour dans le domaine de l’ingénierie du génome (les premiers travaux sur les TALs ont été reportés en 2009: pour une revue voir [3]). Les TALs agissent en reconnaissant spécifiquement des séquences d’ADN double brin par un domaine "effecteur". Ces domaines effecteurs sont modulaires : ils sont composés de répétitions de motifs hélice-boucle-hélice où chaque boucle, de séquence variable, reconnaît spécifiquement une paire de bases d'ADN. On peut donc en principe programmer une protéine TAL pour reconnaître une séquence d'ADN double brin donnée. L'idée de Praetorius et Dietz a été de construire des protéines à deux domaines effecteurs, chacun reconnaissant une séquence donnée. Ces "protéines agrafeuses" pontent ainsi deux séquences d'ADN double brin. Praetorius et Dietz utilisent alors la bibliothèque de douze protéines "double-TAL" qu'ils ont construite pour faire de l’assemblage dirigé médié par l'ADN [2]: leurs protéines jouent le rôle des parties structurantes en assurant le pliage spécifique de l’ADN double brin (cf. Figure).

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Figure: Schéma de principe du pliage d’un ADN double brin piloté par des protéines agrafeuses TAL. Extrait et adapté de Science 355, eaam5488 (2017). Copyright 2017 AAAS.

Pour souligner les possibilités offertes par cette approche, les auteurs ont montré que la synthèse de ces protéines et l’assemblage des nanostructures peuvent s’effectuer in vitro dans une approche "one pot": l’ADN double brin à replier est mélangé directement à température ambiante avec les gènes qui encodent les protéines double-TAL et un système de traduction in vitro qui assure leur expression. Il convient ici de souligner l’intérêt de cette approche qui, contrairement aux origamis basés sur l'ADN simple brin, permet d’envisager la possibilité d’une transposition de la technique in vivo : aussi bien l'ADN double brin à plier que les gènes des protéines double-TAL sont effet programmables dans des cellules. De plus, comme les protéines agrafeuses peuvent être munies chacune d'un domaine supplémentaire porteur d’une fonction particulière, cette avancée conceptuelle et sa preuve de concept permettent d’envisager l’accès à des nanostructures hybrides avec un positionnement précis et contrôlé de ces protéines fonctionnelles; d’un grand intérêt pour le domaine des nanotechnologies bio-inspirées.