Repliement et assemblage dynamique d’origamis d’ADN : nanomachines isothermes contrôlées par la lumière – DYOR

1) La dynamique de l'auto-assemblage des origamis est caractérisée par microscopie à force atomique ultra-rapide, très haute-résolution et environnementale (en phase liquide, dont la composition est modifiable, et à température contrôlée)
2) L'assemblage isotherme est obtenu en ajustant la composition ionique telle que les oligonucléotides s'auto-assemblent à température ambiante pour former n'importe quel type d'origami de morphologie prédéfinie par l'utilisateur.
3) Le photocontrôle est réalisé grâce à l'implémentation d'intercalants d'ADN photosensibles développés préalablement par l'équipe
4) La formation de structures 3D est obtenue grâce à la découverte d'un phénomène inédit de supra-repliement des origamis lors de leur adsorption sur des surfaces molles cationiques obtenues par assemblage couche-par-couche de polymères.

Les résultats d’intérêt scientifique majeur sont :
1) la description nouvelle méthode d’assemblage et de fonctionnalisation isotherme des nanostructures d’ADN (origamis, nanogrilles). Cette étude est terminée. Un article sur le sujet est actuellement en révision
2) la possibilité pour la première fois de contrôler par la lumière les propriétés de fusion et d’hybridation des origamis. Ceci a été possible grâce ) l'implémenation d'intercalants photosensibles de l'ADN préalablement mis au point par notre équipe.
3) la découverte d’un phénomène de supra-repliement réversible permettant de convertir de manière dynamique des nanostructures 2D (origamis, nanogrilles) en structures 3D, et d’utiliser ces dernières comme support pour des invités (fonctions chimiques, protéines). Cette étude a fait l’objet d’une publication, sélectionnée comme « hot paper », dans la revue Angewandte Chemie International Edition :
K. Nakazawa, F. El Fakih, V. Jallet, C. Rossi–Gendron, M. Mariconti, L. Chocron, M. Hishida, K. Saito, M. Morel, S. Rudiuk, D. Baigl. « Reversible supra-folding of user-programmed functional DNA nanostructures on fuzzy cationic substrates. » Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 15214 –15219
4) la possibilité de transformation isotherme d’une morphologie à une autre. La preuve de concept a été établie et la finalisation de cette étude devrait aboutir à un article à fort impact.

Pour la suite de ce projet, nous allons nous concentrer sur deux points principaux. Tout d’abord, nous allons poursuivre notre exploration de la transformation isotherme des origamis. En effet, en étudiant la formation isotherme des origamis, et en comprenant que le mécanisme provient d’un phénomène massif de déplacements de brins sous contrôle thermodynamique, nous avons anticipé et observé qu’il était possible d’induire la formation d’un origami d’une morphologie donnée (par exemple un rectangle) en une autre forme (par exemple un triangle), de manière isotherme (à température ambiante), par simple exposition de l’origami initial à un ensemble d’oligonucléotides compétiteurs aboutissant potentiellement à une forme plus stable thermodynamiquement. Ce genre de reconfiguration morphologique, très recherchée par la communauté, n’a jamais été décrite et ces premiers résultats pourraient aboutir à un résultat majeur et permettre, ce qui est au cœur de ce projet ANR, des origamis dynamiques et reconfigurables d’un nouveau genre. L’autre point de concentration se fera sur l’application de toutes les méthodes d’actuation dynamique d’éveloppées durant les deux premières années sur des origamis fonctionnalisés pour contrôler de manière dynamique la répartition dans l’espace et dans le temps d’entités invitées : des protéines d’une part pour contrôler la dynamique d’activité enzymatique, et des particules d’autre part pour contrôler les propriétés optiques de couplage qui en découlent.

1 publication dans une revue à comité de lecture :
1. K. Nakazawa, F. El Fakih, V. Jallet, C. Rossi–Gendron, M. Mariconti, L. Chocron, M. Hishida, K. Saito, M. Morel, S. Rudiuk, D. Baigl. Reversible supra-folding of user-programmed functional DNA nanostructures on fuzzy cationic substrates. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 15214 –15219

3 conférences invitées en congrès internationaux :
1. D. Baigl. « Reconfigurable self-assembly: from self-foldable DNA nanomachines to photoswitchable dissipative colloidal crystals. » Conférence invitée lors du congrès Applications of Diffusiophoresis in Drying, Freezing and Flowing Colloidal Suspensions. Lausanne (Suisse), 30 octobre-1 novembre 2019
2. D. Baigl. « Reconfigurable self-assembly: from evolutive DNA nanomachines to living 2D and 3D crystals. » Conférence invitée lors du congrès Colloids 2019. Okinawa (Japon), 3-8 novembre 2019.
3. D. Baigl. « Reconfigurable self-assembly: from self-foldable DNA nanomachines to photoswitchable dissipative colloidal crystals. » Conférence invitée lors du congrès Gordon Research Conference Engineered Response in Soft Matter. Ventura (États-Unis), 2-7 février 2020

1 conférence invitée en congrès national :
1. D. Baigl. « Softening DNA nanotechs at room temperature: optical melting and hybridization, giant shape reconfigurability and photoswitchable hybrid crystals. » Conférence invitée lors du symposium DNA Nanotech, Paris (France), 25 octobre 2019.

1 conférence invitée de vulgarisation :
1. D. Baigl. « Magie molle : Nanomachines ADN, optofluidique et taches de café ». Conférence invitée lors du 9ème Colloque « De la Recherche à l’Enseignement ». Paris, 07 septembre 2019.

L’origami ADN est une technique permettant de programmer le repliement d’une molécule d’ADN selon une forme préalablement désirée. Cette méthode, d’une précision remarquable, conduit néanmoins à des structures statiques. Pour ce projet, nous proposons de rendre les origamis dynamiques et de les utiliser comme de nouvelles nanomachines isothermes contrôlables par la lumière. Nous souhaitons tout d’abord contrôler le repliement des origamis par la lumière en utilisant une nouvelle classe de molécules permettant de modifier la température de fusion de l’ADN de manière photodépendante. Nous mettrons également en oeuvre des agents de condensation de l’ADN, classiques ou photosensibles, afin d’induire l’assemblage d’origamis sous forme de superstructures tridimensionnelles stimulables. Enfin, nous fonctionnaliserons ces origamis dynamiques afin de les utiliser comme nanoplateformes stimulables. Ceci nous permettra de contrôler l’organisation spatio-temporelle de protéines et de nanoparticules pour, d’une part, photoréguler l'activité catalytique de cascades enzymatiques et, d’autre part, moduler dynamiquement les propriétés optiques de nanoclusters de particules photocommutables.