İstikrarlı DNA motifleri, 1D ve 2D nanoyapıların küçük dairesel DNA molekülleri inşa
Summary
Bu makale T4 ligasyonu ve küçük dairesel DNA molekülleri tavlama, denaturing sayfa arıtma için detaylı bir protokolü sunar ve yerel sayfa analizi dairesel fayans, montaj ve AFM görüntüleme 1D ve 2D DNA nanoyapıların yanı sıra özel jel sonlu DNA nanoyapıların Elektroforez ve Santrifüjü arıtma.
Abstract
Bu makalede küçük dairesel DNA molekülleri, sentezi için detaylı bir protokol sunar besleme dairesel DNA motifleri ve 1 D ve 2D DNA nanoyapıların inşaatı. On yıl içinde DNA nanoteknolojisi hızla gelişmesi doğrusal DNA’lar kullanmak için kaynak malzemesi olarak atfedilir. Örneğin, DAO (crossover, antiparalel, garip yarım döner) döşeme iyi 2D DNA kafesler inşası için bir yapı taşı olarak bilinir; DAO çekirdek yapısı iki ipler bir sağ el büyükanne düğüm yapma gibi iki doğrusal tek iplikçikli (ss) oligonucleotides yapılmıştır. Burada, DNA fayans cDAO (eşleşmiş DAO) adı verilen yeni bir tür inşa edilir bir küçük dairesel ss-DNA’yı c64nt veya c84nt kullanarak (dairesel 64 veya 84 nukleotid) İskele iplikçik ve birkaç doğrusal ss DNA’lar zımba iplikçikler olarak olarak. Mükemmel 1D ve 2D nanoyapıların cDAO fayans monte: sonsuz nanowires, nanospirals, nanotüpler, nanoribbons; ve sonlu nano-dikdörtgenler. Detaylı iletişim kuralları açıklanmıştır: 1) hazırlık 3) Montaj yerel sayfa analiz, ardından 2) istikrarlı dairesel fayans, tavlama T4 ligaz ve arıtma sayfa (polyacrylamide Jel Elektroforez) küçük dairesel oligonucleotides denaturing tarafından sonsuz 1 D nanowires nanorings, nanospirals, sonsuz 2D kafesler nanotüpler ve nanoribbons ve sonlu 2D nano-dikdörtgenler, AFM (Atomik kuvvet mikroskobu) görüntüleme tarafından takip ettim. Basit, sağlam ve çoğu labs için ekonomik yöntemdir.
Introduction
DNA molekülleri on yıl içinde pek çok nanoyapıların oluşturmak için kullanılmaktadır. Tipik motifler içerir DAE (çift crossover, antiparalel, hatta yarı-döner) ve DAO fayans1,2,3, yıldız fayans4,5,6,7, tek (ss) fayans8,9,10ve DNA origami11,12,13telli. Bu DNA motifleri ve kafesler doğrusal ss-DNA’lar monte edilir. Son zamanlarda, biz ve diğerleri dairesel ss-oligonucleotides kullanımı motifleri, 1 D nanotüpler ve 2D kafesler14,15,16,17oluşturmak için iskele bildirdi. Holliday Kavşağı (HJ)18,19,20,21 c64nt ortasına de ekleyerek, bir çift iki eşleşmiş DAO döşeme kurulan17olabilir. Bu yeni cDAO motifi ve onun türevleri stabildir ve 2D montajı katı DNA 3 × 5 µm2kafesler. Bu yazıda, kullandığımız bir terim “dairesel çini”, bir dairesel iskele ve ss-oligonucleotides doğrusal diğer zımba ile inşa istikrarlı bir DNA karmaşık molekül olarak tanımlanır ve başka bir terim olan doğrusal tam bir dizi inşa “doğrusal çini” SS-oligonucleotides.
Bu iletişim kuralı DNA nanoyapıların iskele olarak küçük dairesel DNA molekülleri ile beş çeşit oluşturmak gösterilmiştir: 1) sonsuz 1 D c64nt ve c84nt nanowires, 2) sonsuz 2D cDAO-c64nt-O ve cDAO-c64nt-E (-O temsil eden bir tek sayı 5 yarı-döner ve -E 4 yarı-turnike temsil bir çift sayı) Kafesler, 3) sonsuz 2D cDAO-c84nt-O ve cDAO-c84nt-E Kafesler, 4) sonlu 2D 5 × 6 cDAO-c64nt-O ve 5 × 6 cDAO-c74 & 84nt-O dikdörtgenler, 5) sonsuz 1 D acDAO-c64nt-E nanorings ve nanospirals ( lütfen bakın Şekil 3-5 şematik çizimler ve DNA nanoyapıların yukarıdaki beş çeşit görüntüleri için). 1D c64nt ve c84nt nanowires her c64nt ve c84nt iskele iki doğrusal zımba ile sırasıyla ilişkili monte edilir. CDAO-c64nt, acDAO-c64nt, cDAO-c74nt veya cDAO-c84nt dairesel her parçasına c64nt, c74nt veya c84nt dört doğrusal zımba ile ilgili kendi iskele üzerinden sırasıyla komplementer olan. Sonsuz 2D kafesler iki dairesel döşemeleri farklı ard arda geliş ile aynı tür gelen monte edilir. İki sonlu 2D dikdörtgen kafesler 32 dairesel alt döşeme iki kümelerinden sırasıyla monte edilir. Para kazanmak için sadece bir sıralı c64nt, c74nt ve c84nt kullanılır ilgili iskele farklı çıkıntılar 32 cDAO-c64nt, 12 cDAO-c74nt ve 20 cDAO-c84nt dairesel alt fayans sırasıyla ilk adımdaki alt döşeme tavlama, sonra tavlamak için kullanılır ise karşılık gelen 32 dairesel alt fayans karıştırın ve sonlu 5 × 6 cDAO-c64nt-O ve 5 × 6 cDAO-c74 & 84nt-O Kafesler, sırasıyla montajı adım tavlama ikinci kafes uygulayın. Daha fazla para ve uğraşları mal olacak ancak kesinlikle, dairesel iskele farklı sıralı sonlu boyutu taşınımı, çeşitli birleştirmek için kabul edilebilir. Sonsuz 1D acDAO-c64nt-E nanorings ve nanospirals gelen bir sıralı asimetrik acDAO-c64nt fayans 4 yarı-döner çift sayıda doğrusal bağlantıları ile komplementer. CDAO-c64nt ve cDAO-c84nt, 4 ve 5 yarı-döner tek sayıda çift sayıda intertile mesafeler tarafından sırasıyla ayırt edilirler dairesel fayans sonsuz 2D kafesler monte için iki yaklaşım vardır. Eski tüm taşlar aynı şekilde hizalanmasını gerektirir; İkinci münavebe Helisel eksenler boyunca iki komşu fayans yüz gerektirir. Döşemeyi katı ve düzlemsel, cDAO-c64nt gibi her iki yaklaşımın düzlemsel nanoribbons oluşturur; döşemeyi cDAO-c84nt, 4 çift sayıda intertile bağlantı gibi bir yöne doğru kavisli ise yarım döner nanotüpler, oluşturmak 5 sayılı intertile bağlantı yarım sırayla düzlemsel nanoribbons ortadan kaldırılması nedeniyle üretecek eğri döşeme diğer hizalama eğriliği önyargılı büyüme. 1D ve 2D DNA nanoyapıların dairesel fayans üzerinden başarılı Meclisi bu yeni yaklaşımın birkaç avantajları gösterir: istikrar ve doğrusal fayans üzerinde dairesel fayans, kiral karoları asimetrik nanoyapıların Meclisi için sertlik gibi zorunlu nanorings ve nanoribbons, anlama DNA mekaniği ve moleküler yapıları, vbüzerinde yeni vizyonlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makale odak küçük dairesel DNA molekülün sentez ve DNA nanoyapıların Meclisi sunulan iletişim kuralları. Rasgele sıralı DNA tasarımlar çoğunu bu protokol için kullanılabilir. Dairesel DNA’lar saflığı DNA derlemeler başarısı için önemlidir. Cyclization üretim verimini doğrusal DNA 5′-fosforile konsantrasyonu azaltarak geliştirilebilir; Ancak, bu dairesel DNA’lar aynı miktarda üretmek için iş yükünü artırır. Ateli DNA iplikçikleri uzunluğunu da doğru ligasyonu tepki etkiler, yakla?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
NSFC (hibe No 91753134 ve 21571100) ve devlet anahtar laboratuvar Bioelectronics, Güneydoğu Üniversitesi finansal destek için sana şükrediyoruz.
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).
