Des scientifiques de l’Université de Cambridge, en collaboration avec des collaborateurs internationaux, ont identifié un processus crucial qui façonne le comportement de l’ADN lorsqu’il se déplace à travers des pores à l’échelle nanométrique. Ce processus est fondamental pour de nombreuses activités biologiques et pour les technologies de détection de l’ADN à croissance rapide. La recherche met en évidence une structure d’ADN longtemps négligée appelée plectonèmes, une découverte qui pourrait influencer les futurs progrès de la génomique et de la biodétection.
Les nanopores sont des ouvertures extrêmement petites qui permettent le passage de simples brins d’ADN tout en produisant des signaux électriques. Ces signaux aident les chercheurs à analyser le matériel génétique en détail. Jusqu’à présent, des caractéristiques importantes de ces signaux avaient été mal comprises.
Pourquoi les scientifiques pensaient que l’ADN formait des nœuds
Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont cru que les schémas électriques complexes observés lors des expériences sur les nanopores étaient provoqués par la formation de nœuds dans l’ADN. L’idée était facile à imaginer. Tirer un lacet à travers un trou étroit devient inégal si le lacet s’emmêle, et les scientifiques ont supposé que l’ADN se comportait de la même manière. On pensait que tout signal irrégulier signifiait que le fil s’était noué lors de son passage à travers le pore.
Cette explication a façonné la manière dont les données nanopores ont été interprétées pendant des décennies.
Des torsions, pas des nœuds, expliquez les signaux
La nouvelle étude, publiée dans Physical Review X, montre que cette hypothèse de longue date était souvent fausse. Au lieu de former de véritables nœuds, l’ADN se tord fréquemment sur lui-même lors de la translocation des nanopores. Ces structures torsadées, appelées plectonèmes, ressemblent à un cordon téléphonique enroulé plutôt qu’à un nœud noué.
Cette distinction est importante car les torsions et les nœuds affectent les signaux électriques de manières très différentes.
“Nos expériences ont montré que lorsque l’ADN est tiré à travers le nanopore, le flux ionique à l’intérieur tord le brin, accumulant du couple et l’enroulant en plectonèmes, pas seulement en nœuds. Cette structure de torsion” cachée “a une empreinte distinctive et durable dans le signal électrique, contrairement à la signature plus transitoire des nœuds”, a expliqué l’auteur principal, le Dr Fei Zheng du laboratoire Cavendish.
Les expériences indiquent un mécanisme manquant
Pour parvenir à cette conclusion, les chercheurs ont testé l’ADN en utilisant des nanopores de verre et de nitrure de silicium sur une large gamme de tensions et de conditions. Ils ont remarqué que les événements dits « enchevêtrés », lorsque plus d’une section d’ADN occupait le pore en même temps, se produisaient bien plus souvent que ce que la théorie des nœuds pouvait expliquer.
Ces événements sont devenus encore plus fréquents à mesure que la tension augmentait et que les brins d’ADN s’allongeaient. Ce schéma suggérait qu’une autre force était à l’œuvre.
Comment l’eau qui coule déforme l’ADN
L’équipe a découvert que la torsion provenait du flux électroosmotique, le mouvement de l’eau entraîné par des champs électriques à l’intérieur du nanopore. Lorsque l’eau s’écoule devant l’ADN, elle applique une force de rotation à la molécule hélicoïdale. Ce couple se déplace le long du brin, provoquant l’enroulement des sections situées à l’extérieur des pores en plectonèmes.
Contrairement aux nœuds, qui se resserrent sous l’effet des forces de traction et disparaissent généralement rapidement, les plectonèmes peuvent grossir et rester présents tout au long du processus de translocation. Des simulations informatiques appliquant des forces et des couples réalistes ont confirmé ce comportement et ont montré que la formation du plétonème dépend de la capacité de l’ADN à transmettre la torsion sur toute sa longueur.
Le blocage des rebondissements confirme la découverte
Pour tester l’idée plus en détail, les chercheurs ont créé de l’ADN « coupé », des brins interrompus à des points spécifiques. Ces interruptions ont empêché la torsion de se propager le long de la molécule et ont considérablement réduit la formation de plectonèmes au cours des expériences.
Ce résultat a confirmé que la propagation des torsions est essentielle au processus. Cela suggère également de nouvelles façons d’utiliser les nanopores pour détecter les dommages à l’ADN, car les cassures du brin interfèrent avec le comportement de torsion.
Lire les signaux ADN avec une nouvelle précision
“Ce qui est vraiment puissant ici, c’est que nous pouvons désormais distinguer les nœuds et les plectonèmes dans le signal nanopore en fonction de leur durée”, explique le professeur Ulrich F. Keyser, également du laboratoire Cavendish et co-auteur de l’étude.
“Les nœuds traversent rapidement, comme une bosse rapide, tandis que les plectonèmes persistent et créent des signaux étendus. Cela ouvre la voie à des lectures plus riches et plus nuancées de l’organisation de l’ADN, de l’intégrité génomique et éventuellement des dommages.”
Implications plus larges pour la biologie et la technologie
Les résultats vont au-delà de la détection des nanopores. Dans les cellules vivantes, l’ADN se tord et s’emmêle régulièrement lorsque les enzymes agissent sur lui, et les nœuds et les plectonèmes jouent un rôle important dans l’organisation et la stabilité du génome. Comprendre comment ces structures se forment pourrait améliorer les modèles de comportement de l’ADN cellulaire.
Pour le diagnostic et la biodétection, la capacité de détecter ou de contrôler la torsion de l’ADN pourrait conduire à des outils plus sensibles, capables d’identifier des changements génétiques subtils et des signes précoces de dommages à l’ADN liés à une maladie.
“Du point de vue de la nanotechnologie, la recherche met en évidence le pouvoir des nanopores, non seulement en tant que capteurs sophistiqués, mais également en tant qu’outils permettant de manipuler les biopolymères de manière nouvelle”, a conclu Keyser.
