Brève

Tribune« Lifelike » matérial, le vivant artificiel

23.01.2020
  • Blum

En tant que matériel génétique, l'ADN est responsable de toute vie connue. Mais l'ADN est aussi un polymère. Exploitant la nature unique de la molécule, les ingénieurs de Cornell ont créé des machines simples construites à partir de biomatériaux ayant les propriétés des êtres vivants.

En utilisant ce qu'ils appellent des matériaux DASH (assemblage et synthèse de la hiérarchie à partir de l'ADN), les ingénieurs de Cornell ont construit un matériau d'ADN ayant des capacités de métabolisme, en plus de l'autoassemblage et de l'organisation - trois caractéristiques clés de la vie.

« Nous introduisons un tout nouveau concept de matériau vivant alimenté par son propre métabolisme artificiel. Nous ne fabriquons pas quelque chose de vivant, mais nous créons des matériaux qui sont beaucoup plus réalistes que jamais auparavant », a déclaré Dan Luo, professeur de génie biologique et environnemental au collège de l'agriculture et des sciences de la vie.

L'article intitulé « Dynamic DNA Material With Emergent Locomotion Behavior Powered by Artificial Metabolism » a été publié dans Science Robotics.

Pour qu'un organisme vivant puisse se maintenir, il doit y avoir un système pour gérer le changement. De nouvelles cellules doivent être générées ; les vieilles cellules et les déchets doivent être balayés. La biosynthèse et la biodégradation sont des éléments clés de l'autosuffisance et nécessitent un métabolisme pour maintenir sa forme et ses fonctions.

Grâce à ce système, les molécules d'ADN sont synthétisées et assemblées de façon hiérarchique, ce qui permet de perpétuer un processus dynamique et autonome de croissance et de décomposition.

En utilisant le DASH, les ingénieurs de Cornell ont créé un biomatériau qui peut émerger de façon autonome de ses blocs de construction à l'échelle nanométrique et s'arranger - d'abord en polymères et ensuite en formes à meso-échelle. À partir d'une séquence de graines de 55 nucléotides, les molécules d'ADN ont été multipliées des centaines de milliers de fois, créant ainsi des chaînes d'ADN répétitives de quelques millimètres de taille. La solution réactionnelle a ensuite été injectée dans un dispositif micro fluidique qui a fourni un flux d'énergie liquide et les éléments de base nécessaires à la biosynthèse.

Au fur et à mesure de l'écoulement sur le matériau, l'ADN synthétisait ses propres nouveaux brins, l'extrémité avant du matériau grandissant et l'extrémité arrière se dégradant dans un équilibre optimisé. De cette façon, il a construit sa propre locomotion, en rampant vers l'avant, à contre-courant, d'une manière similaire à la façon dont se déplacent les moisissures visqueuses.

Cette capacité locomotrice a permis aux chercheurs d'opposer des ensembles de matériaux les uns aux autres dans des courses de compétition. En raison du caractère aléatoire de l'environnement, un corps prenait éventuellement l'avantage sur l'autre, ce qui permettait à l'un de franchir la ligne d'arrivée en premier.

« Les conceptions sont encore primitives, mais elles ont montré une nouvelle voie pour créer des machines dynamiques à partir de biomolécules. Nous en sommes à une première étape de la construction de robots réalistes par métabolisme artificiel », a déclaré Shogo Hamada, conférencier et associé de recherche au laboratoire de Luo, et auteur principal et co-correspondant de l'article. « Même à partir d'une conception simple, nous avons pu créer des comportements sophistiqués comme la course. Le métabolisme artificiel pourrait ouvrir une nouvelle frontière dans la robotique. »

Les ingénieurs étudient actuellement les moyens de faire reconnaître les stimuli par le matériau et de pouvoir les rechercher de façon autonome dans le cas de la lumière ou de la nourriture, ou de les éviter s'ils sont nocifs.

Le métabolisme programmé intégré dans les matériaux d'ADN est l'innovation clé. L'ADN contient l'ensemble des instructions pour le métabolisme et la régénération autonome. Après cela, il est autonome.

« Tout, de sa capacité à se déplacer et à entrer en compétition, tous ces processus sont autonomes. Il n'y a pas d'interférence externe » dit Luo. « La vie a commencé il y a des milliards d'années à partir de quelques types de molécules. C'est peut-être la même chose ».

Le matériau que l'équipe a créé peut durer deux cycles de synthèse et de dégradation avant d'être épuisé. La longévité peut probablement être prolongée, selon les chercheurs, ce qui ouvre la possibilité d'un plus grand nombre de « générations » du matériau à mesure qu'il s'auto-réplique. « En fin de compte, le système pourrait mener à des machines autoreproductrices réalistes », a dit M. Hamada.

« Plus intéressant encore, l'utilisation de l'ADN donne à l'ensemble du système une possibilité d'auto-évolution », a déclaré M. Luo. « C'est énorme. »

Théoriquement, il pourrait être conçu de manière à ce que les générations suivantes émergent en quelques secondes. La reproduction à ce rythme effréné profiterait des propriétés mutagènes naturelles de l'ADN et accélérerait le processus d'évolution, selon Luo.

Dans l'avenir, le système pourrait être utilisé comme un biocapteur pour détecter la présence de tout ADN et ARN. Le concept pourrait également être utilisé pour créer un modèle dynamique pour la fabrication de protéines sans cellules vivantes.

Le travail a été financé en partie par la National Science Foundation et soutenu par le Cornell NanoScale Science and Technology Facility et l'Institut Kavli de Cornell pour la science à l'échelle nanométrique. Les collaborateurs comprennent Jenny Sabin, le professeur d'architecture Arthur L. et Isabel B. Wiesenberger, et les chercheurs de l'université Jiaotong de Shanghai et de l'académie des sciences de Chine. Un brevet a été déposé. Pardi !

 

Traduction Jean-Pierre Blum
Source : Decision-sante.com

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