Geometry-driven design of DNA nanostructures : Models, software and experiments

Conception de nanostructures ADN par des méthodes géométriques : Modèles, logiciel et expériences

• Auteur / Autrice : Nicolas Levy
• Direction : Nicolas Schabanel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 22/06/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'informatique du parallélisme (Lyon ; 1988-....) - Modèles de calcul, Complexité, Combinatoire
• Jury : Président / Présidente : Yann Ponty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Schabanel, Yann Ponty, Anne Siegel, Hendrik Dietz, Jean-Christophe Galas, Lulu Qian
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Siegel, Hendrik Dietz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géométrie algorithmique

Mots clés libres

Origami ADN

Modélisation de l’ADN

Nanotechnologies ADN

Géométrie algorithmique

Logiciel

DNA Origami

Modeling of DNA

DNA nanotechnology

Algorithmic geometry

Software

Résumé

La technique de l’origami ADN est utilisée pour construire des structures biocompatibles avec une facilité et une précision remarquables à l'échelle du nanomètre. La technique consiste à faire s’auto-assembler un ensemble de brins d’ADN dont les séquences sont soigneusement choisies dans ce but. La difficulté principale de la technique est le positionnement des crossing-overs qui imposent à la structure des contraintes géométriques dont résulte sa forme. Cette tâche essentielle est compliquée par la géométrie singulière de la double hélice d’ADN. Des logiciels facilitant le travail de conception et des règles empiriques ont permis la production d'objets de plus en plus complexes. Cependant, du fait de la précision limitée de ces outils, la conception d’un origami ADN implique le plus souvent plusieurs passes de validation par des logiciels de simulations physiques, ainsi que plusieurs essais d’assemblage et de caractérisation (par microscopie à force atomique ou par microscopie électronique) avant d’obtenir la forme souhaitée avec une précision et un rendement satisfaisants. Dans cette thèse, nous menons une réflexion sur ce qui constitue un bon logiciel pour la conception d’origamis ADN. Notre objectif est de proposer une interface permettant dedéduire la position des crossing-overs directement de la géométrie de la forme souhaitée. Nous développons un modèle des nanostructures ADN qui est suffisamment simple pour pouvoir être manipulé via des interfaces utilisateur intuitives, sans compromis sur la précision nécessaire pour affiner les designs. Nous développons en particulier un nouveau modèle géométrique pour les hélices d’ADN courbes. Ce modèle nous a permis de développer une nouvelle méthode, inspirée de structures naturelles, pour couvrir, avec des hélices d'ADN, des surfaces courbes auparavant inaccessibles. Nous avons implémenté toutes ces méthodes dans notre nouveau logiciel : ENSnano. Nous démontrons expérimentalement l’efficacité de nos méthodes en concevant et en assemblant des origamis ADN présentant des courbures tridimensionnelles d’une complexité sans précédent.

DNA origami is a technique used to build bio-compatible structures at the nanometer scalewith remarkable ease and precision. The technique consists in letting self-assemble acarefully designed network of DNA strands.The key step in DNA origami design is thepositioning of crossovers, which constrains the structure geometrically to adopt the desiredshape. This important task is made difficult by the peculiar geometry of the DNA double helix.Software and empirical patterns have been proposed to assist the designer, yielding toincreasingly complex structures. However, the limited precision of these rules forces the DNAorigami design process to involve several passes of validation using simulation software, aswell as several experimental trials of assembly and characterization (by atomic force orelectron microscopy) before obtaining the desired shape with a satisfying precision and yield.In this work, we lead a reflection on what constitutes a good software for designing DNAorigami. Our goal is to provide an edition interface that allows crossovers locations to bedirectly deduced from the geometry of the intended shape. To that end, we develop a modelof DNA nanostructures that is simple enough to be manipulated through intuitive interfaces,without compromising on precision and fine-tuning. We also develop a new geometricalmodel for curved DNA helices allowing a new nature-inspired spiral-based method for routinghelices along curved surfaces. We have implemented all these new methods in our newsoftware, ENSnano. We provide experimental evidence of their efficiency by designing andaccurately assembling origami with unprecedentedly complex 3D curvatures.