Design af et Bio-responsiv Robot fra DNA Origami
Summary
DNA-origami er en stærk metode til fabrikere præcise nanoskala objekter ved at programmere den selv-samling af DNA-molekyler. Her beskriver vi, hvordan DNA-origami kan anvendes til at designe en robot robot kan registrere biologiske signaler og reagerer ved form flytte efterfølgende videresendes til en ønsket virkning.
Abstract
Nukleinsyrer er forbavsende alsidig. Ud over deres naturlige rolle som lagermedium for biologisk information 1, kan de anvendes i parallel computing 2,3, genkender og binder molekylære eller cellulære mål 4,5 katalyserer kemiske reaktioner 6,7, og generere beregnede reaktioner i en biologisk systemet 8,9. Vigtigt er det, kan nukleinsyrer programmeres til selv samle ind 2D-og 3D-strukturer 10-12, gør det muligt at integrere alle disse bemærkelsesværdige funktioner i en enkelt robot forbinder sensing af biologiske signaler til en forudindstillet reaktion for at udøve en ønsket effekt.
Oprettelse figurer fra nukleinsyrer blev først foreslået af Seeman 13, og flere variationer over dette tema er siden blevet realiseret ved hjælp af forskellige teknikker 11,12,14,15. Men den mest betydningsfulde er måske den, der foreslås af Rothemund, betegnes scaffolded DNA-origami16.. I denne teknik er foldningen af en lang (> 7.000 baser) enkeltstrenget DNA 'stillads »rettet til en ønsket form af hundredvis af korte komplementære strenge kaldes» hæfteklammer. Foldning udføres ved temperatur annealing rampe. Denne teknik blev succesfuldt demonstreret i skabelsen af en bred vifte af 2D figurer med bemærkelsesværdig præcision og robusthed. DNA-origami blev senere udvidet til 3D samt 17,18.
Den nuværende papirbaserede vil fokusere på caDNAno 2.0-software 19 udviklet af Douglas og kolleger. caDNAno er et robust, brugervenligt CAD-værktøj gør det muligt at udformningen af 2D-og 3D-DNA-origami figurer med alsidige funktioner. I designprocessen er afhængig af en systematisk og præcis abstraktion ordning for DNA strukturer, hvilket gør det relativt enkelt og effektivt.
I dette papir viser vi udformningen af en DNA-origami nanorobot der er for nylig blevet beskrevet 20. Denne robot er "robot" i den forstand, at det links sensing aktivering, for at udføre en opgave. Vi forklarer, hvordan forskellige sensing ordninger kan integreres i strukturen, og hvordan dette kan videresendes til en ønsket effekt. Endelig bruger vi Cando 21 at simulere de mekaniske egenskaber af den designede facon. Konceptet vi diskutere kan tilpasses til mange forskellige opgaver og indstillinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA-origami gør os til at fabrikere præcist definerede objekter med vilkårlige funktioner på nanoskala. Et vigtigt næste skridt ville være at integrere funktionen i disse mønstre. Mens mange applikationer og udfordringer kan løses med denne teknologi, der er en særlig interesse i opdigte terapeutiske og videnskabelige robotter fra DNA-origami, da disse udgør en naturlig miljø af DNA. DNA allerede grænseflader med molekylære maskineri i celler som en genetisk information lagermedium. Interessant, kan den fol…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke S. Douglas for ekstremt værdifulde diskussioner og rådgivning, og alle medlemmer af Bachelet laboratorium til nyttige diskussioner og arbejde. Dette arbejde er støttet af tilskud fra Det Biovidenskabelige Fakultet og Institut for Nanoteknologi og Advanced Materials på Bar-Ilan University.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Autodesk Maya 2012 | Autodesk | A student/academic account needs to be created first (see platform-specific instructions in http://cadnano.org) | |
| caDNAno 2.0 (software) | (Open source) | Software for the design of DNA origami structures http://cadnano.org | |
| Cando (webpage) | (Open source) | Webpage running a simulator of DNA origami shapes http://cando-dna-origami.org |
Riferimenti
- Watson, J. D., Crick, F. H. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
- Adleman, L. M. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science. 266, 1021-1024 (1994).
- Qian, L., Winfree, E., Bruck, J. Neural network computation with DNA strand displacement cascades. Nature. 475, 368-372 (2011).
- Ellington, A. D., Szostak, J. W. In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands. Nature. 346, 818-822 (1990).
- Tang, Z., Parekh, P., Turner, P., Moyer, R. W., Tan, W. Generating aptamers for recognition of virus-infected cells. Clin. Chem. 55, 813-822 (2009).
- Baskerville, S., Bartel, D. P. A ribozyme that ligates RNA to protein. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 9154-9159 (2002).
- Bartel, D. P., Szostak, J. W. Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences [see comment]. Science. 261, 1411-1418 (1993).
- Benenson, Y., Gil, B., Ben-Dor, U., Adar, R., Shapiro, E. An autonomous molecular computer for logical control of gene expression. Nature. 429, 423-429 (2004).
- Xie, Z., Wroblewska, L., Prochazka, L., Weiss, R., Benenson, Y. Multi-input RNAi-based logic circuit for identification of specific cancer cells. Science. 333, 1307-1311 (2011).
- Rothemund, P. W., Papadakis, N., Winfree, E. Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles. PLoS Biol. 2, e424 (2004).
- Chen, J. H., Seeman, N. C. Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube. Nature. 350, 631-633 (1991).
- He, Y., et al. Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra. Nature. 452, 198-201 (2008).
- Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J. Theor. Biol. 99, 237-247 (1982).
- Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles. Nature. 485, 623-626 (2012).
- Yin, P., et al. Programming DNA tube circumferences. Science. 321, 824-826 (2008).
- Rothemund, P. W. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
- Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325, 725-730 (2009).
- Douglas, S. M., et al. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459, 414-418 (2009).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37, 5001-5006 (2009).
- Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science. 335, 831-834 (2012).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Methods. 8, 221-229 (1038).
- Ke, Y., et al. Multilayer DNA origami packed on a square lattice. Journal of the American Chemical Society. 131, 15903-15908 (2009).
- Mallikaratchy, P. Using aptamers evolved from cell-SELEX to engineer a molecular delivery platform. Chem. Commun. (Camb). , 3056-3058 (2009).
- Hamad-Schifferli, K., Schwartz, J. J., Santos, A. T., Zhang, S., Jacobson, J. M. Remote electronic control of DNA hybridization through inductive coupling to an attached metal nanocrystal antenna. Nature. 415, 152-155 (2002).
