DNA self assembly: Design* and algorithmic Erik Winfree, * F.Liu, L.A.Wenzler, N.C.Seeman

Origine Lidée du calcul par auto assemblage de lADN provient de la combinaison de trois principaux éléments: 1. Travaux dAdleman; 2. Problème ou théorie des tuiles (tiling); 3. Nanotechnologies.

Origine 1. Travaux dAdleman: Potentiel de lADN pour le stockage dinformation et la parallélisme dans les calculs. Ce calcul en 1 D est limité en terme de possibilités de traiter dautres 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 lon souhaite) couvrir tout le plan sans trous?

Exemple de tuiles de Wang

Origine Le problème est indécidable (Berger 1966). Il se résume au problème darrêt 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 lADN avec plus de deux brins pour obtenir des structures plus complexes.

Lobjectif Comme les tuiles de Wang théoriquement peuvent être conçues pour simuler les opérations de nimporte quelle machine de Turing, on veut concevoir des unités moléculaires qui correspondent aux tuiles de Wang.

Lobjectif Les réactions intramoléculaires peuvent être programmées, par la conception de « sticky-ends » qui détermineront quelles molécules sassocieront 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 dADN DX (double crossover) ont cette caractéristique et sont plus rigides que dautres molécules à 4 brins.

Design des molécules Design de lunité 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 dADN.

Résultats par microscope atomique Assemblage DAO-E ABAssemblage 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 déchantillons 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 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 dADN 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 dADN qui après auto assemblage positionneraient les éléments aux endroits souhaités.