Design rationnel de nanothermomètres programmables à base d’ADN

Abstract

Développer de nouveaux nanomatériaux, interrupteurs et machines nanométriques sensibles à de petites variations de température spécifiques devrait être de grande utilité pour une multitude de domaines œuvrant dans la nanotechnologie. De plus, l’objectif est de convaincre le lecteur que les nanotechnologies à base d’ADN offrent d’énormes possibilités pour la surveillance de température en temps réel à l’échelle nanométrique. Dans la section Résultats, nous exploitons les propriétés de l’ADN pour créer des thermomètres versatiles, robustes et faciles à employer. En utilisant une série de nouvelles stratégies inspirées par la nature, nous sommes en mesure de créer des nanothermomètres d’ADN capables de mesurer des températures de 25 à 95°C avec une précision de <0.1°C. En créant de nouveaux complexes d’ADN multimériques, nous arrivons à développer des thermomètres ultrasensibles pouvant augmenter leur fluorescence 20 fois sur un intervalle de 7°C. En combinant plusieurs brins d’ADN avec des plages dynamiques différentes, nous pouvons former des thermomètres montrant une transition de phase linéaire sur 50°C. Finalement, la vitesse de réponse et la précision des thermomètres développés et leur réversibilité sont illustrées à l’aide d’une expérience de surveillance de température à l’intérieur d’un unique puits d’un appareil de qPCR. En conclusion, les applications potentielles de tels nanothermomètres en biologie synthétique, imagerie thermique cellulaire, nanomachines d’ADN et livraison contrôlée seront considérées.

Developing nanomaterials, probes, switches or nanomachines that are able to respond to specific temperature changes should prove of utility for several applications in the fields of in vivo imaging, clinical diagnostics, and drug-delivery. Here, we describe various bio- inspired strategies to engineer DNA thermoswitches with programmable linear response ranges for precise temperature sensing between 25 to 95°C with thermal precision <0.1°C. Using multimeric switch architectures, we are able to create ultrasensitive thermometers that display large 20-fold, quantitative signal changes within only 7°C. Lastly, by combining thermoswitches of different stabilities, or a mix of stabilizers of various strengths, we can create extended thermometers that respond linearly in a 50°C temperature window. Using these programmable DNA thermometers we measured, for the first time, the temperature equilibration time inside PCR wells using a fluorescent readout. Their potential applications in in vivo imaging, DNA nanomachines, drug delivery systems and synthetic biology are further discussed.