Nanotubes d’ADN comme un outil polyvalent pour l’étude des polymères semi-flexibles

Jörg Schnauß; Martin Glaser; Jessica S. Lorenz; Carsten Schuldt; Christin Möser; Martin Sajfutdinow; Tina Händler; Josef A. Käs; David M. Smith

doi:10.3791/56056

Article de méthode

Nanotubes d’ADN comme un outil polyvalent pour l’étude des polymères semi-flexibles

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DOI :

10.3791/56056

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25 octobre 2017

Jörg Schnauß^*¹^,² , Martin Glaser^*¹^,² , Jessica S. Lorenz¹ , Carsten Schuldt¹^,² , Christin Möser¹ , Martin Sajfutdinow¹ , Tina Händler¹^,² , Josef A. Käs² , David M. Smith¹

¹Fraunhofer Institute for Cell Therapy and Immunology, ²Institute of Experimental Physics I, Universität Leipzig

^* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

Polymères semi-flexibles affichent des propriétés mécaniques uniques qui sont largement appliquées par les systèmes vivants. Toutefois, des études systématiques sur les biopolymères sont limitées puisque les propriétés telles que la rigidité de polymère sont inaccessibles. Ce manuscrit décrit comment cette limitation est contournée par programmable ADN nanotubes, permettant des études expérimentales sur l’impact de la rigidité du filament.

Résumé

Les propriétés mécaniques de la matière molle complexe, à base de polymères, tels que les cellules ou les réseaux de biopolymère, peuvent être comprises dans ni le cadre classique des polymères flexibles, ni de tiges rigides. Filaments sous-jacente restent tendus en raison de leur rigidité de la colonne vertébrale non-en voie de disparition, qui est quantifiée par la longueur de persistance (l,_p), mais ils sont également soumis à fortes fluctuations thermiques. Leur rigidité en flexion finie mène à mécanique collective unique, non trivial de réseaux en vrac, ce qui permet la formation d’échafaudages stables à des fractions de faible volume, tout en offrant des tailles de mailles larges. Ce principe est répandu dans la nature (p. ex., dans les cellules ou les tissus), pour réduire le contenu moléculaire élevé et ce qui facilite diffusive ou transport actif. En raison de leurs implications biologiques et des applications technologiques potentielles dans les hydrogels biocompatibles, semi-flexibles polymères ont fait l’objet de nombreuses études. Cependant, enquêtes compréhensibles est resté difficiles puisqu’ils s’appuyaient sur des polymères naturels, tels que les filaments d’actine, qui ne sont pas librement réglables. Malgré ces limites et en raison du manque de polymères synthétiques et mécaniquement accordables semi-flexibles, filaments d’actine ont été établis sous le régime de modèle commun. Une limitation majeure est que la quantité central l_p ne peut pas être librement à l’écoute afin d’étudier son impact sur les structures macroscopiques en vrac. Cette limitation a été résolue en employant des nanotubes ADN structurellement programmables, permettant la modification contrôlée de la raideur du filament. Elles sont constituées par des conceptions basées sur les carreaux, où un ensemble discret de brins partiellement complémentaires s’hybrident dans une structure d’anneau avec une circonférence de discrète. Ces anneaux disposent les extrémités cohésives, permettant la polymérisation efficace en filaments de quelques microns de longueur et affiche similaires cinétique de polymérisation sous forme de biopolymères naturels. En raison de leur mécanique programmable, ces tubes sont polyvalents, de nouveaux outils pour étudier l’impact de l_p sur la molécule unique ainsi que l’échelle en vrac. Contrairement aux filaments d’actine, ils restent stables au cours des semaines, sans dégénérescence notable, et leur manipulation est relativement simple.

Introduction

En raison des comportements complexes activés par leurs propriétés mécaniques uniques, polymères semi-flexibles sont les blocs constitutifs de la matière vivante. À la différence des polymères flexibles, semi-flexibles polymères adoptent une configuration tendue en raison de leur rigidité d’épine dorsale non-en voie de disparition, tout en restant soumis à fortes fluctuations thermiques¹. Ainsi, des modèles stochastiques purement impossible d’appliquer à leurs comportements, comme avec les extrêmes de polymères entièrement flexibles ou rigides. Le modèle de ce que l'on appelle ver-comme chaîne²^,