Стабильная ДНК мотивы, 1D и 2D наноструктур, построенных из небольшой циркуляр ДНК молекул
Summary
Эта статья представляет подробный протокол для T4 перевязки и денатурируя очистки страницы небольшие круговые молекулы ДНК, отжига и родной анализ страницы круговой плитки, монтаж и АСМ изображения 1D и 2D наноструктур ДНК, а также агарозы гель электрофорез и центрифугирования очистка конечных ДНК наноструктур.
Abstract
Эта статья представляет подробный протокол для синтеза небольшие круговые молекулы ДНК, отжиг круговые мотивы ДНК, и строительство 1D и 2D ДНК наноструктур. На протяжении десятилетий быстрое развитие Нанотехнологии ДНК приписывается использования линейной ДНК как исходных материалов. Например плитка DAO (double кроссовер, antiparallel, нечетные половину повороты) хорошо известен как стандартный блок для построения 2D ДНК решетки; Основная структура DAO производится из двух линейных одноцепочечной (СС) олигонуклеотиды, как две веревки, делая узел бабушка правой рукой. Здесь, новый тип плитки ДНК называется cDAO (спаренной DAO) строятся с использованием небольшой циркуляр ss ДНК c64nt или c84nt (круговой 64 или 84 нуклеотидов) как стренги эшафот и несколькими линейных ss ННО как основной нити. Идеальный 1D и 2D наноструктур собираются из cDAO плитки: бесконечные нанопроволоки, nanospirals, нанотрубки, наноленты; и конечное нано прямоугольников. Описываются подробные протоколы: 1) подготовка лигаза T4 и очистки, денатурации страницы (электрофорез геля полиакриламида) небольшие круговые олигонуклеотиды, 2) отжиг стабильные круговые плитки, следуют родной анализ страницы, 3) монтаж бесконечные 1D нанопроволоки, nanorings, nanospirals, бесконечные 2D решетки нанотрубок и наноленты и конечных 2D нано прямоугольники, следуют AFM (атомной силовой микроскопии) изображений. Метод простой, надежной и доступной для большинства лабораторий.
Introduction
Молекулы ДНК были использованы для построения различных наноструктур на протяжении десятилетий. Типичные мотивы включают Дэ (двойной кроссовер, antiparallel, даже половины повороты) и DAO плитки1,2,3, звезда плитки4,5,6,,7сингл мель (СС) плитки8,9,10и ДНК оригами11,12,13. Эти мотивы ДНК и решетки собираются из линейной ss ННО. Недавно другие и мы сообщили использовании круговой ss олигонуклеотиды как строительные леса, чтобы построить мотивы, нанотрубок 1D и 2D решетки14,,1516,17. Вставляя Холлидей Джанкшен (HJ)18,19,,2021 в центре c64nt, пара двух спаренных DAO плитки может быть сформированный17. Этот новый мотив cDAO и его производные являются стабильными и достаточно жесткой, чтобы собрать 2D ДНК решетки до 3 × 5 мкм2. В этой статье мы используем термин «круговой плитка», который определяется как стабильная сложные молекулы ДНК, построены с одной круговой леску и других линейных скобы ss олигонуклеотиды, и еще один срок «линейной плитка», который построен из полного набора линейных SS олигонуклеотиды.
Этот протокол показывает, как построить пять видов ДНК наноструктур с небольшие круговые молекулы ДНК, как строительные леса: 1) бесконечные 1 D c64nt и c84nt нанопроволоки, 2) бесконечные 2D cDAO-c64nt-O и cDAO-c64nt-E (-O представляет собой нечетное число 5 половину повороты и -E представляет собой четное число 4 половину-поворотов) решетки, 3) бесконечные 2D cDAO-c84nt-O и cDAO-c84nt-E решетки, 4) конечных 2D 5 × 6 cDAO-c64nt-O и 5 × 6 cDAO c74 & 84nt-O прямоугольников, 5) бесконечные 1 D acDAO-c64nt-E nanorings и nanospirals (пожалуйста, обратитесь к Рисунок 3-5 схематические рисунки и изображения выше пяти видов наноструктур ДНК). 1D c64nt и c84nt нанопроволоки собираются из каждого c64nt и c84nt леса, связанные с двух линейных скобы соответственно. Каждый круговой плитка cDAO-c64nt, acDAO-c64nt, cDAO-c74nt или cDAO-c84nt является отожженная из его соответствующих эшафот, c64nt, c74nt или c84nt с четырьмя линейной скобы соответственно. Бесконечные 2D решетки смонтированы из того же типа две круговые плитки с различными последовательностями. Два конечных 2D прямоугольник решетки смонтированы из двух наборов плиток 32 круговой суб соответственно. Чтобы сэкономить деньги, только одну последовательность c64nt, c74nt и c84nt используется в качестве соответствующих леску в то время как различные свесы используются для отжига 32 cDAO-c64nt, 12 cDAO-c74nt и круговой суб плитки 20 cDAO-c84nt соответственно в первом шаге отжига суб плитки, затем Смешайте соответствующее 32 круговой суб плитки и применить второй решетки, отжиг шаг собрать конечных 5 × 6 cDAO-c64nt-O и 5 × 6 cDAO c74 & 84nt-O решетки, соответственно. Безусловно по-разному виртуализированных круговой леса может быть принят собрать различных наноструктур конечного размера, однако это будет стоить больше денег и труды. Бесконечные 1D acDAO-c64nt-E nanorings и nanospirals отожженная из плитки одного последовательного асимметричной acDAO-c64nt с линейной связи четное количество 4 половину повороты. Существует два подхода к собирать бесконечное 2D решетки из круговой плитки cDAO-c64nt и cDAO-c84nt, которые отличаются межизразцовые расстояния четное число нечетное количество 5 половину поворачивает и 4 соответственно. Первый требует все плитки, чтобы согласовать одинаково; Последнее требует чередование лица двух соседних плиток вдоль оси спирально. Если плитка является жесткий и плоский, например cDAO-c64nt, оба подхода будет генерировать Вселенский наноленты; Если плитка изогнута в одном направлении, например cDAO-c84nt, межизразцовые подключение четное количество 4 половина витков будет генерировать нанотрубок, тогда как межизразцовые подключение нечетное количество 5 половина витков будет производить Вселенский наноленты за счет ликвидации кривизной предвзятым роста путем альтернативных выравнивание кривой плитки. Успешной сборки 1D и 2D наноструктур ДНК от круговой плитки указывает несколько преимуществ этого нового подхода: таких как насильственные стабильности и жесткости круговой плитки через линейные плитки, хиральные плитки для Ассамблеи асимметричный наноструктур nanorings и наноленты, новые взгляды на понимание ДНК механики и молекулярной структуры и т.д.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы, представленные в этой статье сосредоточиться на синтез небольшие круговые молекулы ДНК и Ассамблея ДНК наноструктур. Большинство конструкций, случайно последовательности ДНК может использоваться в этом протоколе. Чистоты циркуляр ННО имеет решающее значение для успеха ДН…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признательны за финансовую поддержку от NSFC (гранты № 91753134 и 21571100) и состояние ключа лаборатории биоэлектроника из Юго-Восточной университета.
Materials
| T4 ligase | TaKaRa | 2011A | |
| T4 buffer | TaKaRa | 2011A | |
| TE buffer | Sangon | B548106 | |
| Thermo bottle | Thermos | SK-3000 | |
| Thermo cycler | Bio Gener | GE4852T | |
| Exonuclease I | TaKaRa | 2650A | |
| Exonuclease I buffer | TaKaRa | 2650A | |
| 30% (w/v) Acryl/Bis solution (19:1) | Sangon | B546016 | |
| TAE premix podwer | Sangon | B540023 | |
| Mg(Ac)2·4H2O | Nanjing Chemical Reagent | C0190550223 | |
| Urea | Sangon | A510907 | |
| TEMED | BBI | A100761 | |
| Ammonium Persulfate | Nanjing Chemical Reagent | 13041920295 | |
| Power supply | Beijing Liuyi | DYY-8C | |
| Water bath | Sumsung | DK-S12 | |
| Formamide | BBI | A100314 | |
| DNA Marker (25~500 bp) | Sangon | B600303 | |
| DNA Marker (100~3000 bp) | Sangon | B500347 | |
| Loading buffer | Sangon | B548313 | |
| PAGE electrophoresis systerm | Beijing Liuyi | 24DN | |
| Filter | ASD | 5010-2225 | 0.22 µM |
| UV imaging System | Tanon | 2500R | |
| n-butanol | Sangon | A501800 | |
| Absolute Ethanol | SCR | 10009257 | |
| NaOAc | Nanjing Chemical Reagent | 12032610459 | |
| Centrifuge | eppendorf | Centrifuge 5424R | |
| Vacuum concentrator | CHRIST | RVC 2-18 | |
| Ultraviolet spectrum | Allsheng | Nano-100 | |
| nucleic acid stain | Biotium | 16G1010 | GelRed |
| Agarose | Biowest | G-10 | |
| Agarose electrophoresis systerm | Beijing Liuyi | DYCP-31CN | |
| Heating Plate | Jiangsu Jintan | DB-1 | |
| TBE premix podwer | Sangon | B540024 | |
| filter column | Bio-Rad | 7326165 | Freeze 'N Squeeze column |
| AFM | Bruker | Dimension FastScan | |
| PEG8000 | BBI | A100159 | |
| Mica | Ted Pella | BP50 | |
| triangular AFM probe in air | Bruker | FastScan-C | |
| triangular AFM probe in fulid | Bruker | ScanAsyst-fluid+ | |
| DNA strands | Sangon |
References
- Tsu-Ju, F., Seeman, N. C. DNA double-crossover molecules. Biochimie. 32 (13), 3211-3220 (1993).
- Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L. A., Seeman, N. C. Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals. Nature. 394 (6693), 539-544 (1998).
- Liu, F., Sha, R., Seeman, N. C. Modifying the surface features of two-dimensional DNA crystals. Journal of the American Chemical Society. 121 (5), 917-922 (1999).
- Yan, H., Park, S. H., Finkelstein, G., Reif, J. H., LaBean, T. H. DNA-templated self-assembly of protein arrays and highly conductive nanowires. Science. 301 (5641), 1882-1884 (2003).
- Liu, D., Wang, M., Deng, Z., Walulu, R., Mao, C. Tensegrity: Construction of rigid DNA triangles with flexible four-arm DNA junctions. Journal of the American Chemical Society. 126 (8), 2324-2325 (2004).
- Tian, C., Li, X., Liu, Z., Jiang, W., Wang, G., Mao, C. Directed self-assembly of DNA tiles into complex nanocages. Angewandte Chemie: International Edition. 53 (31), 8041-8044 (2014).
- Wang, P., et al. Retrosynthetic analysis-guided breaking tile symmetry for the assembly of complex DNA nanostructures. Journal of the American Chemical Society. 138 (41), 13579-13585 (2016).
- Ke, Y., Ong, L. L., Shih, W. M., Yin, P. Three-dimensional structures self-assembled from DNA bricks. Science. 338 (6111), 1177-1183 (2012).
- Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles. Nature. 485 (7400), 623-626 (2012).
- Ke, Y., et al. DNA brick crystals with prescribed depths. Nature Chemistry. 6 (11), 994-1002 (2014).
- Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
- Douglas, S. M., Dietz, H., Liedl, T., Högberg, B., Graf, F., Shih, W. M. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
- Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
- Ackermann, D., Schmidt, T. L., Hannam, J. S., Purohit, C. S., Heckel, A., Famulok, M. A double-stranded DNA rotaxane. Nature Nanotechnology. 5 (6), 436-442 (2010).
- Zheng, H., Xiao, M., Yan, Q., Ma, Y., Xiao, S. J. Small circular DNA molecules act as rigid motifs to build DNA nanotubes. Journal of the American Chemical Society. 136 (29), 10194-10197 (2014).
- Wang, M., Huang, H., Zhang, Z., Xiao, S. J. 2D DNA lattices constructed from two-tile DAE-O systems possessing circular central strands. Nanoscale. 8 (45), 18870-18875 (2016).
- Guo, X., Wang, X. M., Wei, S., Xiao, S. J. Construction of a holliday junction in small circular DNA molecules for stable motifs and two-dimensional lattices. ChemBioChem. 19 (13), 1379-1385 (2018).
- Holliday, R. A mechanism for gene conversion in fungi. Genet. Res. 5 (2), 282-304 (1964).
- Duckett, D. R., et al. The structure of the Holliday junction. Structure and Methods, Human Genome Initiative and DNA Recombination. 1 (1), 157-181 (1990).
- Ariyoshi, M., Vassylyev, D. G., Iwasaki, H., Nakamura, H., Shinagawa, H., Morikawa, K. Atomic structure of the RuvC resolvase: A holliday junction-specific endonuclease from E. coli. Cell. 78 (6), 1063-1072 (1994).
- Eichman, B. F., Vargason, J. M., Mooers, B. H., Ho, P. S. The Holliday junction in an inverted repeat DNA sequence: sequence effects on the structure of four-way junctions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 97 (8), 3971-3976 (2000).
- 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).
- de Gennes, P. G. Reptation of a polymer chain in the presence of fixed obstacles. The Journal of Chemical Physics. 55 (2), 572-579 (1971).
- Slater, G. W., Noolandi, J. New biased reptation model for charged polymers. Physical Review Letters. 55 (15), 1579 (1985).
- Lilley, D. M. J. Analysis of branched nucleic acid structure using comparative gel electrophoresis. Quarterly Reviews of Biophysics. 41 (1), 1-39 (2008).
- Pfreundschuh, M., Martinez-Martin, D., Mulvihill, E., Wegmann, S., Muller, D. J. Multiparametric high-resolution imaging of native proteins by force-distance curve-based AFM. Nature Protocols. 9 (5), 1113-1130 (2014).
