Supported by French Region Auvergne Rhône-Alpes Pack Ambition International n°00284230-1 (2026-28)
L'ADN et l'ARN sont les constituants principaux de l'échange d'information au sein des cellules de l'organisme. Ils permettent à la fois de stocker les informations génétiques, et de traiter ces informations pour produire les constituants indispensables à la vie d'un organisme (par exemple les protéines). Le calcul biomoléculaire a démontré qu'il était possible d'utiliser ces molécules d'ADN et d'ARN pour construire avec une très grande précision des structures moléculaires qui parce qu'elles utilisent les éléments de la vie peuvent être fonctionnalisées pour qui, parce qu'elles utilisent les éléments de la vie, peuvent être fonctionnalisées pour interagir avec les constituants essentiels de la vie, et aussi avec les éléments qui la menace comme les virus ou les tumeurs. Ces structures sont appelées "nanostructures" du fait de leur taille nanoscopique (= quelques milliers d'atomes de large). Cette petite taille leurs permet de pénétrer à des différents endroits de l'organisme. Pour cela, il est possible de les "fonctionnaliser", c'est-à-dire de les équiper de marqueurs biochimiques que des transporteurs/virus/protéines/... reconnaissent et qui leurs permettent d'interagir avec eux.
Les origamis ARN (Geary et al, Nature 2014) sont une technique qui permet de construire de telles nanostructures moléculaires en ARN. Les vaccins par ARN sont un exemple de telles nanostructures en ARN. De façon remarquable, le développement ultra-rapide des vaccins ARN a démontré l'utilité de telles structures pour obtenir en un temps très court de nouveaux médicaments face au COVID-19 qui ont permis d'endiguer l'épidémie.
Dans ce projet, nous nous proposons de faciliter la conception de nanostructures de type origami ARN dynamique, c'est à dire qui sont capables de changer de forme en fonction de leur environnement, par exemple pour envelopper un virus ou s'ouvrir pour libérer un médicament. Nous développerons un modèle cinétique (c-à-d dynamique) du repliement de l'ARN afin de pouvoir suivre la formation de la nanostructure souhaitée au fur et à mesure de sa création. L'objectif est à la fois de: 1) s'assurer de la correction de son repliment, p. ex. en s'assurant qu'aucun noeud ne se forme qui bloquerait sa construction ; et 2) de permettre d'étudier comment cette structure peut changer de forme suivant son environnement (présence ou absence d'un virus p. ex.). L'existence d'un tel modèle permettra de concevoir de façon plus efficace de telles nanostructures avec un meilleur rendement et une meilleure efficacité avant expérimentation.
DNA and RNA are the primary molecules responsible for information exchange within living cells. They not only store genetic information but also process it to produce the molecular components essential for life, such as proteins.
Research in biomolecular computing has demonstrated that DNA and RNA molecules can be used to build molecular structures with extremely high precision. Because these structures are made from the very molecules of life, they can be functionalized to interact with essential biological components, as well as with threats to the organism such as viruses and tumors. These structures are known as **nanostructures** because of their nanometer-scale dimensions (typically only a few thousand atoms across). Their small size allows them to access regions of the body that are otherwise difficult to reach. To achieve this, they can be functionalized, meaning that they are equipped with biochemical markers recognized by transporters, viruses, proteins, or other biological agents, enabling them to specifically interact with these targets.
RNA origami, first demonstrated by Geary et al. (Nature, 2014), is a technique for constructing such molecular nanostructures from RNA. RNA vaccines are a prominent example of RNA-based nanostructures. Remarkably, the rapid development of mRNA vaccines demonstrated the tremendous potential of these structures to produce new therapeutics within a very short time frame. During the COVID-19 pandemic, they enabled the rapid deployment of effective vaccines that played a crucial role in controlling the outbreak.
In this project, we aim to facilitate the design of dynamic RNA origami nanostructures, that is, structures capable of changing shape in response to their environment—for example, to encapsulate a virus or to open and release a therapeutic payload.
To achieve this, we will develop a kinetic (dynamic) model of RNA folding that will make it possible to follow the formation of the target nanostructure throughout the folding process. This model has two main objectives: (1) to ensure the correct folding of the structure—for example, by detecting and preventing the formation of knots or other kinetic traps that could obstruct its assembly—and (2) to study how the nanostructure can dynamically change its conformation in response to environmental cues, such as the presence or absence of a virus.
Such a model will enable the more efficient design of dynamic RNA nanostructures, improving both their assembly yield and their functional performance before experimental validation.