Etude de nouveaux principes de design pour l'auto-assemblage de nanostructures ADN aux courbes sophistiquées définies en trois dimensions, du design de novo aux applications biomédicales

Exploring new design principles for self-assembling DNA-nanostructures with sophisticated 3D-curvatures, from de novo design to biomedical applications

• Auteur / Autrice : Julie Finkel
• Direction : Gaetan Bellot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie Santé
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 10/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé (Montpellier ; Ecole Doctorale ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CBS - Centre de Biologie Structurale
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Structure et dynamique d'assemblages membranaires
• Jury : Président / Présidente : Erik Dujardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gaetan Bellot, Viktorija Glembockyte, Simmel Friedrich, Carlos Castro, Serge Ravaine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Viktorija Glembockyte, Serge Ravaine

Mots clés

Mots clés libres

Origami ADN

Design assisté par ordinateur

Nanotechnologie

Cryomicroscopie électronique

DNA origami

Computer-aided design

Nanotechnology

Cryo-EM

Résumé

Les structures courbes, présentes à la fois dans les constructions artificielles et les assemblages biomoléculaires naturels, permettent de développer des propriétés sophistiquées ainsi qu’une grande adaptabilité. Elles constituent une source d'inspiration pour la conception de novo de nouvelles architectures biomimétiques, de matériaux et de dispositifs innovants avec des fonctionnalités améliorées. Cependant, la réalisation de structures courbes complexes en trois dimensions reste un challenge dans le domaine des nanotechnologies ADN. Bien que les méthodologies existantes permettent la conception et la production d'origamis ADN avec des courbures, les contraintes inhérentes à la géométrie de l'ADN imposent des limitations significatives pour obtenir des rendements élevés de structures bien définies avec des courbures et des complexités précises. Pour répondre à ces défis, cette thèse présente une méthode générale pour produire des structures courbes tridimensionnelles arbitraires en utilisant un algorithme de routage qui trace les brins du scaffold le long des surfaces courbes. La position des crossovers est déterminée par l'utilisateur via le panneau de visualisation 3D, directement à partir de la géométrie souhaitée de la forme désirée. Cette nouvelle méthode a été implémentée dans le logiciel de conception ENSnano, qui offre un espace de travail hautement automatisé pour la conception de nanostructures d'ADN complexes et courbes. Dans ces travaux, plus de dix structures d'origami avec des courbures complexes sans précédent définies en trois dimensions ont été conçues. La précision des objets programmés et pliés a été validée par microscopie électronique. Ce travail présente également la possibilité de plier des nanostructures ADN dans des conditions physiologiquement pertinentes, notamment en utilisant ces nouvelles méthodes de conception. Ainsi, nous décrirons le pliage de nanostructures tridimensionnelles d'ADN à 37°C avec des concentrations de sel adéquates pour des conditions physiologiques. En conclusion, nous pensons que l'interface géométrique pratique d’utilisation d'ENSnano permettra la conception de nanostructures biomimétiques, avec le potentiel d'élargir la gamme de formes réalisables dans la nanotechnologie de l'ADN et ses applications dans le domaine biomédical.

Curved structures found in both artificial constructions and natural biomolecular assemblies enable the gain of sophisticated properties and adaptability. They provide a source of inspiration for the DNA de novo design of innovative biomimetic architectures, materials, and devices with enhanced functionalities. However, the DNA nanotechnology field encounters challenges in achieving complex curved structures in 3D space. While already existing methodologies enable the design and production of DNA origami with curvatures, the inherent constraints imposed by the DNA geometry pose significant limitations in achieving high yields of well-defined structures with precise curvatures and complexities. In response to these challenges, this thesis presents a general method to fold arbitrary 3D curved structures using a routing algorithm that traces scaffold strands along curved surfaces. Crossover positioning is made by the user using the 3D view panel, directly from the intended geometry of the desired shape. This new method has been implemented in the design software ENSnano which offers a highly automated workflow for designing complex curved DNA nanostructures. In this work, over ten origami structures with unprecedentedly complex curvatures defined in 3D space were designed. The accuracy of the programmed and folded objects has been validated through electron microscopy. This work also presents how we can fold DNA nanostructures in physiologically relevant conditions, notably by using these new methods of design. Hence, we describe the accurate folding of three-dimensional DNA nanostructures at 37°C with concentrations of salt relevant to physiological conditions. Hence, we believe that the sleek and user-friendly geometric interface of ENSnano will catalyze the design of biomimetic nanostructures with the potential to expand the range of achievable shapes in DNA nanotechnology and applications in the biomedical field.