Dobragem e Caracterização de um robô Bio-responsivo a partir de ADN de Origami
Summary
DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here we describe a protocol for the folding of a bio-responsive robot from DNA origami, its purification and negative staining for transmission electron microscopic imaging (TEM).
Abstract
O nanorrobô de DNA é um dispositivo nanométrico hexagonal oco, projetado para abrir em resposta a estímulos específicos e presente de carga sequestradas no interior. Ambos os estímulos e carga podem ser adaptados de acordo com necessidades específicas. Aqui descrevemos o protocolo de fabricação nanorobot ADN, com a utilização da técnica de origami de DNA. O procedimento inicia através da mistura de grampos de ADN de cadeia simples curtos em uma mistura da qual é, em seguida, adicionada a uma longa, circular, de cadeia simples andaime ADN na presença de um tampão de renaturação. Um termociclador padrão é programado para baixar gradualmente a temperatura da reacção de mistura para facilitar o emparelhamento-a-grampos de andaime, a qual é a força condutora por detrás da dobragem da nanorobot. Uma vez que a reacção de dobragem 60 HR está completa, o excesso de grampos são desprezados, utilizando um filtro de centrífuga, seguido de visualização por meio de electroforese em gel de agarose (AGE). Finalmente, o fabrico com sucesso do nanorobot é verificada por microscopia electrónica de transmissão (TEM),com a utilização de uranilo-formiato como coloração negativa.
Introduction
Os usos para os ácidos nucleicos nanotecnologia são surpreendentes. A rastreabilidade da base de emparelhamento de Watson-Crick, bem como a facilidade e baixo custo relativo de síntese em larga escala de feitos sob oligos 2 tem gerado uma explosão de aplicações 3 e pesquisas no campo da nanotecnologia de DNA. Nanotecnologia de ADN estrutural, com base no imóvel 4,5 junção Seeman como um bloco de construção fundamental faz uso de DNA como uma unidade elementar de auto-montagem para a construção de formatos arbitrários 6-8.
O desenvolvimento recente do DNA origami scaffolded 9 técnica permite a construção de complexos nano-arquiteturas 2D / 3D 10-12 com precisão sub nanômetros e é uma rota eficiente para a construção de novos objetos funcionais com o aumento da complexidade e diversidade surpreendente. O processo baseia-se na construção de um ADN de cadeia simples de comprimento de andaime, usualmente derivada de um genom viralE, que pode ser dobrada através da hibridação de centenas de oligos simples e curtas de DNA strand denominado grampos. A resolução estrutural alta obtida por esta técnica é o resultado directo das dimensões naturais da dupla hélice de ADN, enquanto que a reprodutibilidade de fabricação é o resultado de adaptar as sequências descontínuas de cadeia simples curtos para facilitar o máximo de complementaridade ligações de hidrogénio realizáveis. Com a utilização de uma temperatura de recozimento a rampa lenta concebidos de menor energia, termodinamicamente nanoestrutura preferido é alcançado com altos rendimentos e fidelidade. A fácil implementação de regras de projeto de junção em um código de computador permitiu o desenvolvimento de ferramentas de CAD, tais como caDNAno 13, que extremamente simplificar a tarefa de projetar estruturas grandes e complexas que contêm centenas de cruzamentos conectados.
Anteriormente tínhamos descrito o desenho de um nanorobot ADN com o auxílio da ferramenta de 14,15 caDNAno. Aqui nós retratam a fabricação evisualização, através de microscopia eletrônica de transmissão (TEM), do nanorrobô, um nanodevice hexagonal oca 3D, com dimensões de 35 x 35 x 50 nm 3, destinado a sofrer uma grande mudança conformacional em resposta a um estímulo pré-determinados e presente de carga específica, tais como proteínas ou ácidos nucleicos oligos, sequestrado dentro. Enquanto 12 estações de carga estão disponíveis dentro do chassi oco, o número real de carga limite é diferente com o tamanho da carga. Moléculas de carga variam de pequenas moléculas de ADN de enzimas, anticorpos e nanopartículas de ouro 5-10 nm. Cargocan quer ser homogéneo ou heterogéneo, de modo a que cada nanorobot contém uma mistura de moléculas diferentes. Sensing é conseguido através de dois duplo helicoidal projeto portões de bloqueio para detectar proteínas, ácidos nucleicos ou outros produtos químicos, tanto baseada aptasensor 16,17 ou fita de DNA deslocamento 18 tecnologias. Desenvolvimentos recentes em protocolos de seleção de aptâmeros 19-21 permitir a concepção de nanorobôs respondera uma gama cada vez maior de moléculas e tipos de células.
Trabalhos anteriores mostraram uma nanorobot transportando um anticorpo específico, o qual após se ligar ao seu antigénio pode transmitir quer um efeito inibitório ou um sinal prolífica para o interior de tipos específicos de células numa população de células misturada 15. Uma característica interessante destes nanodispositivos é a sua capacidade para realizar tarefas mais complexas e até mesmo controle de lógica com a introdução de diferentes subtipos nanorrobôs em uma única população. Recentemente, demonstrou subtipos específicos de nanorrobôs que exercem tanto como reguladores positivos ou negativos, controlando uma população efetoras contendo uma molécula de carga ativa 22.
O protocolo aqui apresentado descreve a fabricação, de purificação e de imagem de um nanorobot fechado com sequências de aptâmero de sensores que se ligam selectivamente a PDGF para facilitar a abertura da nanorobot 15,22. O processo de fabrico descrito é semelhante ao nprocesso de fabricação anorobot inicialmente descrito por Douglas et al. 15, com as alterações que visam reduzir a duração total do processo, ao aumentar as taxas de rendimento e de purificação.
Protocol
Representative Results
Discussion
Descrevemos a fabricação, a purificação, e a visualização da nanorobot ADN. Após o fabrico do chassi hexagonal do dispositivo, a função do nanorobot é programado com a simples introdução de carga específica e fios de detecção para o robô que facilmente encontrar a sua posição designada devido à complementaridade ligações de hidrogénio com os locais de ligação disponíveis de cadeia simples 14 , 15,22.
O protocolo de fabricação descrito utiliza uma rampa d…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem a S. Douglas para discussões e conselhos extremamente valiosos, e todos os membros do laboratório Bachelet para discussões úteis e trabalho. Este trabalho é apoiado por subsídios da Faculdade de Ciências da Vida e do Instituto de Nanotecnologia e Materiais Avançados da Universidade de Bar-Ilan.
Materials
| DNase/RNase free distilled water | Gibco | 10977 |
| M13mp18 ssDNA scaffold | NEB | N4040S |
| 10x TAE | Gibco | 15558-042 |
| 1 M MgCl2 | Ambion | AM9530G |
| Amicon Ultra 0.5 mL centrifugal filter 100K MWCO | Amicon | UFC510024 |
| Agarose | Promega | V3125 |
| TBE buffer | Promega | V4251 |
| Ethidium bromide 10mg/ml solution | Sigma Aldrich | E1510 |
| 1 kb DNA marker | NEB | N3232S |
| Loading Dye | NEB | B7021S |
| uranyl formate | polysciences | 24762 |
| carbon-coated TEM grids | Science services | EFCF400-Cu-50 |
| Thermal Cycler c1000 Touch | Bio-Rad | |
| Glow Discharge K100X | Emitech | |
| UV table Gel Doc EZ Imager | Bio-Rad | |
| NanoDrop 2000c | Thermo Scientific | |
| TEM FEI-G12 | Tecnai |
Riferimenti
- Watson, J. D., Crick, F. H. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
- Kosuri, S., Church, G. M. Large-Scale de novo. DNA synthesis: technologies and applications. Nature Meth. 11 (5), 499-507 (2014).
- Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature Nanotech. 6 (12), 763-772 (2011).
- Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J Theor Biol. 99 (2), 237-247 (1982).
- Chen, J. H., Seeman, N. C. Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube. Nature. 350 (6319), 631-633 (1991).
- Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles. Nature. 485 (7400), 623-626 (2012).
- He, Y., et al. Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra. Nature. 452 (7184), 198-201 (2008).
- Yin, P., Hariadi, R. F., Sahu, S., Choi, H. M. T., Park, S. H., Labean, T. H., Reif, J. H. Programming DNA tube circumferences. Science. 321 (5890), 824-826 (2008).
- Rothemund, P. W. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
- Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
- Douglas, S. M., et al. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
- Zhang, F., Nangreave, J., Liu, Y., Yan, H. Structural DNA nanotechnology: state of the art and future perspective. J Am Chem Soc. 136 (32), 11198-11211 (2014).
- Douglas, S. M., et al. Prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37 (15), 5001-5006 (2009).
- Ben-Ishay, E., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. Designing a bio-responsive robot from DNA origami. J Vis Exp. (77), e50268 (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).
- Tan, W., Donovan, M. J., Jiang, J. Aptamers from cell-based selection for bioanalytical applications. Chem Rev. 113 (4), 2842-2862 (2013).
- Xiang, D., et al. Nucleic Acid Aptamer-Guided Cancer Therapeutics and Diagnostics: The Next Generation of Cancer Medicine. Theranostics. 5 (1), 23-42 (2015).
- Zhang, D. Y., Seelig, G. Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions. Nat Chem. 3 (2), 103-113 (2011).
- Tang, Z., Parekh, P., Turner, P., Moyer, R. W., Tan, W. Generating aptamers for recognition of virus-infected cells. Clin Chem. 55 (4), 813-822 (2009).
- Sefah, K., Shangguan, D., Xiong, X., O’Donoghue, M. B., Tan, W. Development of DNA aptamers using Cell-SELEX. Nature Prot. 5 (6), 1169-1185 (2010).
- McKeague, M., DeRosa, M. C. Challenges and Opportunities for Small Molecule Aptamer Development. J Nucleic Acids. 2012, (2012).
- Amir, Y., et al. Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nature Nanotech. 9 (5), 353-357 (2014).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Meth. 8 (3), 221-229 (2011).
- Sobczak, J. P., Martin, T. G., Gerling, T., Dietz, H. Rapid folding of DNA into nanoscale shapes at constant temperature. Science. 338 (6113), 1458-1461 (2012).
- Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and scalable preparation of pure and dense DNA origami solutions. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (47), 12735-12740 (2014).
- Lin, C., Perrault, S. D., Kwak, M., Graf, F., Shih, W. M. Purification of DNA-origami nanostructures by rate-zonal centrifugation. Nucleic Acids Res. 41 (2), (2012).
- Bai, X. C., Martin, T. G., Scheres, S. H., Dietz, H. Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (49), 20012-20017 (2012).
