Tasarım ve Reconfigurable DNA akordeon raf sentezi
Summary
Biz tasarım, simülasyon, ıslak-laboratuvar deneyleri ve analiz için 6 6 kafesleri reconfigurable bir DNA akordeon raf için detaylı iletişim kuralı tanımlamak.
Abstract
DNA nanostructure tabanlı mekanik sistemler veya 2D ve 3D karmaşık nano çekimde nanometre ångström çözünürlük için üretmek, DNA nanomachines büyük bir potansiyel nanoteknoloji ilaç dağıtım moleküler reaktörler gibi çeşitli alanları göster, ve nanoplasmonic sistemleri. Hangi topluca elemanları, 2D veya 3D nano ağ içinde birden çok sahne DNA girişlerine yanıt işleyebilirsiniz, reconfigurable DNA akordeon rack, açıklanmıştır. Platform DNA nanomachines bir ağ ölçeği ile birden fazla yeniden yapılandırılması aşamaları için birkaç öğeleri denetleyebilirsiniz öğelerin sayısını artırmak için bir potansiyele sahiptir.
Bu protokol için deneysel işlemin tamamı 6 6 kafesleri reconfigurable DNA akordeon raf açıklar. Protokol yapıları ve ıslak-Laboratuvar deney sentezi ve yeniden yapılandırılması için tasarım kuralı ve simülasyon yordam içerir. Buna ek olarak, TEM (transmisyon elektron mikroskobu) ve perde (floresan rezonans enerji transferi) kullanarak yapı analizi iletişim kuralında dahildir. Bu protokol için yeni tasarım ve simülasyon Yöntemler araştırmacılar DNA akordeon raf daha fazla uygulamaları için kullanmak için yardımcı olacaktır.
Introduction
2D ve 3D karmaşık nano çekimde nanometre için ürettikleri çünkü DNA nanoyapıların veya DNA nanomachines1,2,3,4,5 temel mekanik sistemler benzersizdir Ångström çözünürlük, göre çeşitli biyomoleküler uyaranlara2,3,6. Bu yapılar üzerinde fonksiyonel malzemeleri ekleyerek ve konumlarını kontrol, bu yapıların çeşitli bölgelerine uygulanabilir. Örneğin, DNA nanomachines moleküler reaktör7, uyuşturucu teslim8ve nanoplasmonic sistemleri9,10için önerilmiştir.
Daha önce biz hangi öğeleri11 (Şekil 1A) 2D veya 3D nano ağ işleyebilirsiniz reconfigurable DNA akordeon rack, tanıttı. Sadece bir kaç elemanları kontrol diğer DNA nanomachines farklı olarak, platform topluca düzenli aralıklarla dizilmiş 2D veya 3D öğeleri çeşitli aşamalarında üzerinde değişiklik yapabilir. Biz bir programlanabilir biyolojik ve kimyasal reaksiyon ağ veya moleküler bilgi işlem sistemi sistemimiz kontrol edilebilir öğelerin sayısını artırarak inşa olabilir tahmin. DNA akordeon raf birden fazla DNA kirişler ağ tek iplikçikli DNA’sını (Şekil 1B) oluşan eklemlere bağlandığı bir yapıdır. DNA kiriş tarafından üretilen akordeon raf kirişler yapışkan parçası melezlemek ve kilitleri (kilitli durum) köprüleme parçası uzunluğuna göre kiriş arasındaki açıyı değiştirmek DNA kilitleri tarafından yapılandırılır. Buna ek olarak, çok adımlı yeniden yapılandırılması DNA kilitleri çıkıntı tabanlı strand deplasman12,13arası ayırma tarafından yeni kilitleri serbest devlet oluşumu sonra ekleyerek gösterilmiştir.
Bu protokol için biz tüm tasarım ve sentez reconfigurable DNA akordeon raf süreci açıklanmaktadır. Protokol tasarım, simülasyon, ıslak-laboratuvar deneyleri ve analiz 6 6 kafesler DNA akordeon raf ve bunlar yeniden yapılanma sentezi için içerir. Protokol kapsamında yapısı önceki araştırma11 temel model ve 65 nm tarafından 65 nm boyutunda 14 demeti oluşan. Tasarım ve simülasyon açısından akordeon raf yapısal tasarımı geleneksel DNA origami14,15 (sıkı paketlenmişyani ) farklıdır. Bu nedenle, tasarım kural ve Moleküler Simülasyon geleneksel yöntemleri değiştirilmiştir. Göstermek için biz caDNAno14 tarihinde yaklaşım ve akordeon raf oxDNA16,17 ile ek komut dosyalarını kullanma simülasyonu kullanarak tasarım tekniği göstermek. Son olarak, yapılandırılmış akordeon raf yapıları çözümlenmesi için her iki iletişim kurallarını-TEM ve perde açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı tüm süreç tasarımı, simülasyon, sentez ve analiz temel 2D DNA akordeon raf tanıtır. Standart DNA origamisi, tasarım kuralı farklıdır çünkü DNA akordeon raf kesişim esneklik14,15, ek nükleotit yok modifiye tasarım ve simülasyon kuralları tarif edilmistir. Bu, protokol DNA akordeon raflar kullanarak çeşitli araştırmalar hızlandırabilir bekliyoruz. Buna ek olarak, açıklanan protokolü de standart DNA origamisi yerine …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma kısmen küresel araştırma geliştirme merkezi Program aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Bilim Bakanlığı ve ICT (MSIT) (2015K1A4A3047345) ve Nano· tarafından finanse edilen Korea(NRF) tarafından desteklenmiştir Malzeme teknolojisi geliştirme programı aracılığıyla Ulusal Araştırma Vakfı, Kore (Bilim Bakanlığı ve ICT (MSIT) (2012M3A7A9671610) tarafından desteklenen NMK). Seul Ulusal Üniversitesi’nde Mühendislik Araştırma Enstitüsü araştırma tesisleri bu iş için sağlanan. Yazarlar Tae-genç Yoon (Biyolojik Bilimler, Seul Ulusal Üniversitesi) doğru perde analizi için şükran floresans spektroskopisi ile ilgili olarak kabul.
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).
