Ontwerp en de synthese van een accordeon herconfigureerbare DNA-Rack
Summary
We beschrijven het gedetailleerd protocol voor ontwerp, simulatie, NAT-lab experimenten en analyse voor een herconfigureerbare DNA accordeon rek van 6 bij 6 mazen.
Abstract
DNA nanostructuur gebaseerde mechanische systemen of DNA nanomachines, die complexe nanoschaal beweging in 2D en 3D in het nanometer ångström resolutie produceren, weergeven groot potentieel in verschillende velden van nanotechnologie zoals de moleculaire reactoren, drug delivery, en nanoplasmonic systemen. De herconfigureerbare DNA accordeon rek, die collectief een 2D of 3D nanoschaal netwerk van elementen, in meerdere fasen in reactie op de DNA-ingangen manipuleren kunt, is beschreven. Het platform heeft potentieel om het verhogen van het aantal elementen dat DNA nanomachines tegen een paar elementen op de schaal van een netwerk met meerdere stadia van herconfiguratie kunt.
In dit protocol beschrijven we de volledige experimentele proces van het herconfigureerbare DNA accordeon rack van 6 bij 6 mazen. Het protocol bevat een ontwerp regel en simulatie-procedure van de structuren en een natte-lab experiment voor synthese en herconfiguratie. Bovendien, is analyse van de structuur met behulp van TEM (transmissie-elektronenmicroscopie) en FRET (de overdracht van de energie van de resonantie van de fluorescentie) in het protocol opgenomen. Het nieuwe ontwerp en simulatie methoden behandeld in dit protocol assisteert onderzoekers het DNA accordeon rek voor verdere toepassingen gebruiken.
Introduction
Mechanische systemen gebaseerd op DNA nanostructuren of DNA nanomachines1,2,3,4,5 zijn uniek omdat ze complexe nanoschaal beweging in 2D en 3D in het nanometer te produceren resolutie van het Ångström, volgens verschillende biomoleculaire stimuli2,3,6. Door het koppelen van functionele materialen op deze structuren en de controle van hun standpunten, kunnen deze structuren worden toegepast op verschillende gebieden. Bijvoorbeeld zijn DNA nanomachines voorgesteld voor een moleculaire reactor7, drug delivery8en9,10van de systemen van de nanoplasmonic.
Eerder introduceerden we de herconfigureerbare DNA accordeon rek, die een 2D of 3D nanoschaal netwerk van elementen11 (figuur 1A) kan manipuleren. In tegenstelling tot andere DNA-nanomachines waarmee slechts een paar elementen, kan het platform collectief periodiek gekleed 2D of 3D elementen manipuleren in verschillende fasen. Wij verwachten dat een programmeerbare chemische en biologische reactie-netwerk of een moleculaire computing systeem kan worden opgebouwd uit ons systeem, door het aantal controleerbare elementen te verhogen. Het DNA accordeon rek is een structuur, waarin het netwerk van meerdere DNA balken is verbonden met gewrichten bestaat uit single-stranded DNA (figuur 1B). Het accordeon rek gegenereerd door de DNA-balken is geconfigureerd door de sluizen van DNA, die naar de kleverige deel van balken te vermengen en veranderen van de hoek tussen de balken volgens de lengte van de “passerelle” deel van de sluizen (vergrendelde stand). Daarnaast is scriptingregel herconfiguratie aangetoond door het toevoegen van nieuwe sloten na de vorming van de Vrijstaat door DNA sloten via steunpunt gebaseerde strand displacement12,13te ontkoppelen.
In dit protocol beschrijven we het proces inzake ontwerp en de synthese van het herconfigureerbare DNA accordeon rack. Het protocol bevat ontwerp, simulatie, NAT-lab experimenten en analyse voor de synthese van de accordeon rek van DNA van 6 bij 6 mazen en een herconfiguratie van deze. De structuur die in het protocol is het basismodel van het vorige onderzoek11 en 65 nm door 65 nm in grootte, bestaande uit 14 balken. In termen van het ontwerp en simulatie is het structurele ontwerp van het accordeon rack anders dan conventionele DNA origami14,15 (dat wil zeggen, zorgvuldig verpakt). Dus zijn het gezag van het ontwerp en de moleculaire simulatie gewijzigd van traditionele methoden. Om aan te tonen, laten we de ontwerp-techniek met behulp van de gewijzigde benadering van caDNAno14 en de simulatie van het accordeon rack oxDNA16,17 met extra scripts. Tenslotte, beide protocollen van TEM en FRET voor analyse van geconfigureerde accordeon rek structuren worden beschreven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol introduceert het gehele proces van ontwerp, simulatie, synthese en analyse van het fundamentele 2D DNA accordeon rack. Het gewijzigde ontwerp en simulatie regels zijn beschreven omdat de ontwerp-regel van die van standaard DNA origami verschilt, in dat het DNA accordeon rek extra nucleotiden in de cross-overs voor flexibiliteit14,15 heeft. Van dit verwachten wij dat het protocol van verschillende onderzoeken met behulp van DNA accordeon rekken kan ve…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd slechts gedeeltelijk ondersteund door de Global Research Development Center Program via de nationale onderzoek-Stichting van Korea(NRF) naar gefinancierd door het ministerie van wetenschap en ICT (MSIT) (2015K1A4A3047345) en Nano· Materiële Technology Development Program via de nationale onderzoek Stichting van Korea (NRF) gefinancierd door het ministerie van wetenschap en ICT (MSIT) (2012M3A7A9671610). Het Instituut voor Engineering Research aan Seoul National University geboden onderzoeksfaciliteiten voor dit werk. Auteurs erkennen dankbaarheid naar Tae-Young Yoon (Biological Sciences, Seoul National University) met betrekking tot de Fluorescentiespectroscopie voor de analyse van de FRET.
Materials
| M13mp18 Single-stranded DNA | NEB | N4040s | |
| 1M MgCl2 Solution | Biosesang | M2001 | |
| Tris-EDTA buffer | Biosesang | T2142 | |
| Nuclease-Free Water | Qiagen | 129114 | |
| 5M Sodium Chloride solution | Biosesang | s2007 | |
| PEG 8000 | Sigma Aldrich | 1546605 | |
| 10N NaOH | Biosesang | S2038 | |
| Uranyl formate | Thomas Science | C993L42 | |
| Thermal cycler C1000 | Biorad | ||
| Nanodropic 2000 | Thermo Fisher Scientific | ||
| TEM (LIBRA 120) | Carl Zeiss | ||
| Fluorometer Enspire 2300 | Perkin-Elmer | ||
| Centrifuge | Labogene | LZ-1580 |
References
- Andersen, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).
- Cha, T. -. G., et al. Design principles of DNA enzyme based walkers: Translocation kinetics and photo-regulation. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9429-9437 (2015).
- Gerling, T., Wagenbauer, K. F., Neuner, A. M., Dietz, H. Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non-base pairing 3D components. Science. 347 (6229), 1446-1452 (2015).
- Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature nanotechnology. 6 (12), 763-772 (2011).
- Li, J., et al. Exploring the speed limit of toehold exchange with a cartwheeling DNA acrobat. Nature Nanotechnology. 1, (2018).
- Krishnan, Y., Simmel, F. C. Nucleic acid based molecular devices. Angewandte Chemie International Edition. 50 (14), 3124-3156 (2011).
- Liu, M., et al. A DNA tweezer-actuated enzyme nanoreactor. Nature communications. 4, 2127 (2013).
- Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science. 335 (6070), 831-834 (2012).
- Kuzyk, A., et al. Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules. Nature Materials. 13 (9), 862-866 (2014).
- Zhou, C., Duan, X., Liu, N. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami. Nature communications. 6, 8102 (2015).
- Choi, Y., Choi, H., Lee, A. C., Lee, H., Kwon, S. A Reconfigurable DNA Accordion Rack. Angewandte Chemie International Edition. 57 (11), 2811-2815 (2018).
- Chen, H., et al. Understanding the Mechanical Properties of DNA Origami Tiles and Controlling the Kinetics of their Folding and Unfolding Reconfiguration. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6995-7005 (2014).
- Han, D., Pal, S., Liu, Y., Yan, H. Folding and cutting DNA into reconfigurable topological nanostructures. Nature Nanotechnology. 5 (10), 712-717 (2010).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37 (15), 5001-5006 (2009).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature methods. 8 (3), 221-229 (2011).
- Ouldridge, T. E., Louis, A. A., Doye, J. P. K. DNA Nanotweezers Studied with a Coarse-Grained Model of DNA. Physical Review Letters. 104 (17), 178101 (2010).
- Snodin, B. E. K., et al. Direct Simulation of the Self-Assembly of a Small DNA Origami. ACS Nano. 10 (2), 1724-1737 (2016).
- Amir, Y., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. Folding and Characterization of a Bio-responsive Robot from DNA Origami. Journal of Visualized Experiments. (106), e51272 (2015).
- Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions. Angewandte Chemie International Edition. 53 (47), 12735-12740 (2014).
- Wei, B., Vhudzijena, M. K., Robaszewski, J., Yin, P. Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles. Journal of Visualized Experiments. (99), e52486 (2015).
- Clegg, R. M. Fluorescence resonance energy transfer and nucleic acids. Methods in enzymology. 211, 353-388 (1992).
- Kopperger, E., et al. A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science. 359 (6373), 296-301 (2018).
- Lauback, S., et al. Real-time magnetic actuation of DNA nanodevices via modular integration with stiff micro-levers. Nature Communications. 9 (1), 1446 (2018).
