Design e síntese de um Rack de acordeão de DNA reconfigurável
Summary
Descrevemos o protocolo detalhado para projeto, simulação, molhado-laboratório experimentos e análise para um rack de acordeão de DNA reconfigurável de malhas de 6 por 6.
Abstract
Sistemas mecânicos baseados em nanostructure de DNA ou DNA nanomáquinas, que produzem movimento complexo nanoescala em 2D e 3D no nanômetro a resolução ångström, mostram grande potencial em vários campos da nanotecnologia como os reactores moleculares, administração de medicamentos, e sistemas de nanoplasmonic. O rack acordeão reconfigurável de DNA, que coletivamente pode manipular a uma rede de nanoescala 2D ou 3D de elementos, em múltiplos estágios em resposta às entradas do DNA, é descrito. A plataforma tem potencial para aumentar o número de elementos que DNA nanomáquinas podem controlar a partir de alguns elementos para uma escala de rede com múltiplos estágios de reconfiguração.
Este protocolo, descreveremos todo o processo experimental do rack acordeão DNA reconfigurável de malhas de 6 por 6. O protocolo inclui um procedimento de regra e simulação de projeto de estruturas e uma experiência de molhado-laboratório de síntese e reconfiguração. Além disso, a análise de estrutura de temperatura (microscopia eletrônica de transmissão) e FRET (transferência de energia de ressonância de fluorescência) está incluído no protocolo. Os métodos de projeto e simulação romance cobertos neste protocolo ajudará pesquisadores a utilizar o cesto de acordeão de DNA para novas aplicações.
Introduction
Sistemas mecânicos baseados em nanoestruturas de DNA ou ADN nanomáquinas1,2,3,4,5 são exclusivos porque eles produzem movimento complexo nanoescala em 2D e 3D no nanômetros para Ångström-resolução, de acordo com vários biomolecular estímulos2,3,6. Anexar materiais funcionais sobre estas estruturas e controlando as suas posições, estas estruturas podem ser aplicadas a diversas áreas. Por exemplo, as nanomáquinas de DNA têm sido propostas para um reator molecular7, droga entrega8e nanoplasmonic sistemas9,10.
Anteriormente, nós introduzimos o rack acordeão reconfigurável de DNA, que pode manipular a uma rede de nanoescala 2D ou 3D de elementos11 (figura 1A). Ao contrário de outras DNA nanomáquinas que apenas alguns elementos de controle, a plataforma pode coletivamente manipular periodicamente matriz elementos 2D ou 3D em várias fases. Nós antecipamos que uma rede programável reação química e biológica ou um sistema de computação molecular pode ser construído de nosso sistema, aumentando o número de elementos controláveis. O rack de acordeão de DNA é uma estrutura, em que a rede de múltiplos feixes de ADN está ligada a articulações compostas de DNA de cadeia simples (figura 1B). O acordeão rack gerado por vigas do DNA é reconfigurado pelos bloqueios de DNA, que hibridizam à parte pegajosa de vigas e alterar o ângulo entre os feixes de acordo com o comprimento da ponte parte dos bloqueios (estado bloqueado). Além disso, várias etapa reconfiguração é demonstrada adicionando novas fechaduras após a formação do estado livre removendo bloqueios de DNA através da vertente baseada no ponto de apoio deslocamento12,13.
Neste protocolo, descrevemos o todo processo de design e síntese do rack acordeão DNA reconfigurável. O protocolo inclui design, simulação, molhado-laboratório experimentos e análise para a síntese de rack acordeão DNA de 6 por 6 malhas e uma reconfiguração desses. A estrutura coberta no protocolo é o modelo básico da pesquisa anterior11 e 65 nm em 65 nm de tamanho, constituído por 14 vigas. Em termos de projeto e simulação, o projeto estrutural do acordeão rack é diferente do convencional ADN origami14,15 (ou seja, hermeticamente embalados). Portanto, a regra de projeto e simulação molecular foram modificados dos métodos tradicionais. Para demonstrar, mostramos a técnica de desenho usando a abordagem modificada de circunflexo14 e a simulação do acordeão rack usando oxDNA16,17 com scripts adicionais. Finalmente, os dois protocolos de temperatura e FRET para análise de estruturas de cremalheira acordeão configurados são descritos.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo apresenta todo o processo de design, simulação, síntese e análise do básico 2D DNA acordeão rack. O projeto modificado e regras de simulação têm sido descritas porque a regra do projeto difere do padrão origami de DNA, em que a cremalheira de acordeão de DNA tem nucleotídeos adicionais em crossovers para flexibilidade14,15. A partir disso, esperamos que o protocolo pode acelerar várias pesquisas usando acordeão cremalheiras de DNA. Al…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi parcialmente suportada pelo Global Research Center programa de desenvolvimento através do nacional Research Foundation de Korea(NRF) financiado pelo Ministério da ciência e TIC (MSIT) (2015K1A4A3047345) e Nano· Programa de desenvolvimento de tecnologia de material através da nacional Research Foundation de Coreia (NRF) financiado pelo Ministério da ciência e TIC (MSIT) (2012M3A7A9671610). O Instituto de pesquisa de engenharia na Universidade Nacional de Seul desde instalações de pesquisa para este trabalho. Os autores reconhecem gratitude para Yoon Tae-Young (Ciências Biológicas, Universidade Nacional de Seul) em relação a espectroscopia de fluorescência para a análise de traste.
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).
