Thermodynamique de l'assemblage de nano-structures et d'origami d'ADN

Thermodynamic of the assembly of DNA nanostructures

• Auteur / Autrice : Clothilde Coilhac
• Direction : Olivier Bourgeois, Hervé Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 14/02/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Charlaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juan Elezgaray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Rondelez, Javier Rodriguez-Viejo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimétrie différentielle à balayage

Thermodynamique

Propriétés thermiques

Nanostructures

ADN

Mots clés libres

Nanocalorimétrie

Nano-Structures d'ADN

Puce

Microfluidique

Nanocalorimetry

DNA nanostructures

Chip

Microfluidic

Résumé

L’ADN (acide désoxyribonucléique) est le support de notre génome, c'est aussi un biopolymère dont les propriétés d’hybridation de deux simples brins complémentaires en une double hélice permettent son utilisation comme brique élémentaire pour l’auto-assemblage de structures avec une résolution de quelques nanomètres. Parmi les différentes méthodes développées, l'origami d’ADN dans lequel un simple brin d’ADN issu du génome d’un phage est replié algorithmiquement par un ensemble de brins synthétiques plus petits s'est démontré très robuste pour l'assemblage de structures bi ou tridimensionnelles. La conception de ces origami est basée sur la thermodynamique à l'équilibre, c'est à dire sur l'optimisation de l'appariement complémentaire des bases. Cependant, bien que des outils interactifs qui facilitent la conception de structures aient été développés, très peu de recherches se sont focalisées sur le processus du repliement et sur son optimisation. Notre travail a consisté à étudier la thermodynamique de nanostructures d'ADN afin de mieux comprendre le processus d'assemblage et d'en identifier des étapes clés.Nous avons effectué des mesures en calorimétrie différentielle à balayage (DSC) sur des structures modèles et des origami d'ADN. Ainsi, nous avons pu identifier la présence d'étapes clés dans le repliement de nanostructures comportant un petit nombre de brins d'ADN. Nous montrons qu'en modifiant les séquences il est possible de changer la coopérativité et la stabilité de l'assemblage des nanostructures et donc de modifier le chemin de repliement.L'étude d'origami simplifiés comportant une ou deux agrafes nous a permis de mesurer l'influence de la position des agrafes, des tailles de boucles et de l'orientations des brins d'ADN sur la thermodynamique du repliement.Enfin, les mesures calorimétriques effectuées sur des origami d'ADN nous ont permis de résoudre l'hybridation collective d'ensemble d'agrafes. Cela nous permet de hiérarchiser l'assemblage de l'origami en domaines distincts.Notre travail de thèse a également consisté au développement de méthodes innovantes de nanocalorimétrie ultrasensible intégrant de la microfluidique. Ces méthodes calorimétriques permettront d'accéder aux paramètres cinétiques de l’assemblage en plus des paramètres thermodynamiques à l'équilibre.Nos résultats obtenus sur les nanostructures modèles montrent qu'il est possible d'optimiser la conception des nanostructures d'ADN en intégrant dans la conception le processus d'assemblage. Des nanostructures d'ADN à l'assemblage performant permettront peut-être à l'avenir le développement d'automates moléculaires synthétiques qui sont une des applications très prometteuses de ces systèmes.

DNA is the support of genetic information. The property of self-assembly of two complementary single strands to form a double helix enable the use of this biopolymer as a building block for nanofabrication. DNA origami are a method which enable the self-assembly of 2D or 3D nanostructures. In this method, a long single-stranded DNA taken from the genome of a phage is folded on itself in a programmable way thanks to a lot of short synthetic DNA strands. The design of origami is based on thermodynamic and on the optimization of the base pairing in the structures. However, although interactive tools that facilitate the design of DNA nano-structures have been developed, we know little about the folding process and its optimization. In this work, we study the thermodynamics of DNA nanostructures in order to have a better understanding of the folding process and to identify the key steps.We performed differential scanning calorimetry (DSC) on model structures and DNA origami. Thus, we have been able to identify the presence of key steps in the folding of small nanostructures. We show that by changing the sequences of the strands, it is possible to change the cooperativity and the stability of the assembly of the nanostructure and thus change the folding path.The study of small origami with one or two staples allowed us the see the influence of the position of the staples, of the sizes of the loops and of the orientation of the staples on the thermodynamic of the folding.Finally, the calorimetric measurements performed on origami allowed us to solve the collective hybridization of staple sets. This enable us to prioritize the origami assembly into separate domains.This work also consisted of the development of innovative methods of ultra-sensitive nano-calorimetry integrating microfluidics. These calorimetric methods will give us the access to the kinetic parameters of the folding and to the equilibrium thermodynamic parameters.Our results obtained on model nano-structures show that it is possible to optimize the design of DNA nanostructures by integrating the assembly process in the design of the structures. Such high-performance DNA nanostructures may allow in the future the development of molecular robot which is a very promising application of DNA nanostructures.