Zelf-assemblage van Complex Tweedimensionaal Vormen van enkelstrengs DNA Tiles

Summary

DNA tiling is an effective approach to make programmable nanostructures. We describe the protocols to construct complex two-dimensional shapes by the self-assembly of single-stranded DNA tiles.

Abstract

Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this article, we describe detailed protocols on how to fabricate sophisticated 2D shapes through the self-assembly of uniquely addressable single-stranded DNA tiles which act as molecular pixels on a molecular canvas. Each single-stranded tile (SST) is a 42-nucleotide DNA strand composed of four concatenated modular domains which bind to four neighbors during self-assembly. The molecular canvas is a rectangle structure self-assembled from SSTs. A prescribed complex 2D shape is formed by selecting the constituent molecular pixels (SSTs) from a 310-pixel molecular canvas and then subjecting the corresponding strands to one-pot annealing. Due to the modular nature of the SST approach we demonstrate the scalability, versatility and robustness of this method. Compared with alternative methods, the SST method enables a wider selection of information polymers and sequences through the use of de novo designed and synthesized short DNA strands.

Introduction

Vorige nucleïnezuur zelf-assemblage ^1-25 heeft geresulteerd in de bouw van een verscheidenheid aan complexe structuren, met inbegrip van DNA ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} of RNA ^7,22 periodieke ^{3,4,7, 22} en algoritmische ⁵ tweedimensionale roosters, linten ^10,12 en buizen ^4,12,13, 3D kristallen ^17, veelvlakken ¹¹ en eindige, 2D-vormen ^7,8. Een bijzonder effectieve methode is de steigers DNA-origami, waarbij een enkele steiger streng wordt gevouwen door vele korte extra nietje strengen om een complexe vorm ^9,14 vormen ^{– 16,18 – 21,25.}

We hebben onlangs melding van een methode voor het construeren van discrete nanostructuren met voorgeschreven 2D-vormen met behulp van enkelstrengs tegels (SST), en toonde structuren met complexiteit vergelijkbaar met DNA-origami ^26. Dit article is een aanpassing van onze eerdere werk ²⁶ en beschrijft gedetailleerd protocollen voor het regelen van individueel adresseerbare SST in geavanceerde eindige 2D vormen met precies voorgeschreven afmetingen (breedte en lengte) en morfologie. Een belangrijk voordeel van de SST-methode is de modulariteit. Elk onderdeel SST van een structuur dient als een modulaire constructie-eenheid in de gemeente, en de verschillende subgroepen van deze SST produceren verschillende vormen. Zo hebben we een algemeen platform om nanostructuren met voorgeschreven maten en vormen van korte, synthetische DNA-strengen te bouwen.

SST bevatten vier domeinen, elk 10 of 11 nucleotiden lang (Figuur 1A). De SST binden zodanig dat hun parallelle spiralen creëren van een DNA-rooster bij elkaar gehouden door crossover verbanden. Elk crossover fosfaat tussen domeinen 2 en 3. De fosfaat kunstmatig gestrekt in de diagrammen voor visuele helderheid. De viaducten zijn verdeeld twee spiraalvormige bochten (21 basen) uit elkaar (<strong> Figuur 1B). De samengestelde rechthoeken worden door de afmetingen van het aantal helices en schroeflijnvormige windingen bedoeld. Bijvoorbeeld, een rechthoek die zes helices breed en acht spiraalvormige blijkt lang wordt genoemd een 6H x 8T rechthoek. SST kan worden weggelaten, toegevoegd of anderszins herschikt om structuren van willekeurige vormen en maten (figuur 1C) te creëren. Zo kan een rechthoekig ontwerp in een buis worden gerold met een gewenste lengte en radius (figuur 1D).

Alternatief kan de rechthoekige SST rooster worden beschouwd als een moleculaire canvas uit SST pixels, elk 3 nm van 7 nm. In dit onderzoek gebruiken we een moleculaire doek van 310 full-length interne SST, 24 full-length SSTs waaruit de linker en rechter grenzen en 28 halflange SSTs die de bovenste en onderste grenzen. Het doek heeft 24 dubbele helices verbonden door viaducten en elke helix bevat 28 spiraalvormige bochten (294 basen) en wordt daarom aangeduid alseen 24U × 28T rechthoekige canvas. De 24H x 28T canvas een molecuulgewicht vergelijkbaar met die van een DNA origami structuur samengesteld uit een M13-faag scaffold.

Protocol

1. DNA Sequence ontwerp Gebruik UNIQUIMER software 27 van een SST-eindige structuur te ontwerpen onder vermelding van het aantal dubbele helices, lengtes van boven- en onderkant helix voor elke dubbele helix, en de crossover patroon naar een 24U × 28T canvas te creëren. Na het definiëren van deze parameters, wordt de algemene architectuur (streng samenstelling en de complementariteit afspraak) grafisch geïllustreerd in het programma. Genereer sequenties van de strengen van de gespecif…

Representative Results

De zelf-assemblage van SST (figuur 1) een 24H x 28T rechthoek verkregen, zie figuur 2. DNA-sequenties voor de verschillende SST kan worden aangepast / geoptimaliseerd streptavidine labeling mogelijk (figuur 3 en 4), de transformatie van een rechthoek in een buis (figuur 5), de programmeerbare zelfassemblage van SSTs buizen en rechthoeken van verschillende afmetingen (figuur 10) te vormen en de constructie van 2D willeke…

Discussion

In de structuurvorming stap is het belangrijk om de juiste concentratie van magnesium kationen houden (bijv., 15 mM) in de DNA-streng mengsel zelfassemblage DNA nanostructuren. Ook in het agarose gel karakterisatie / zuiveringsstap is het belangrijk een geschikte magnesium kation concentratie te houden (bijv., 10 mM) in de gel en de gel loopbuffer om het DNA nanostructuren tijdens elektroforese behouden. Voor 24H x 28T rechthoek structuur, testten we gloeien in verschillende concentraties Mg ^++</s…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
DNA Strands	Integrated DNA Technology		Section 3.1
SYBR Safe DNA gel stain	Invitrogen	S33102	Section 3.4.2
Freeze'N Squeeze DNA Gel Extraction Spin Columns	BIO-RAD	731-6166	Section 3.6
Bruker's Sharp Nitride Lever Probes	Bruker AFM Probes	SNL10	Section 4.3
Safe Imager 2.0 Blue Light Transilluminator	Invitrogen	G6600	Section 3.6
Centrifuge 5430R	Eppendorf	5428 000.414	Section 3.6
Transmission Electron Microscope	Jeol	Jem 1400	Section 7.4
Multimode 8	Veeco		Section 4
Typhoon FLA 9000 Laser Scanner	GE Heathcare Life Sciences	28-9558-08	Section 3.5
Ultrapure Distilled water	Invitrogen	10977-023	Section 3.7.1
Mica disk	SPI Supplies	12001-26-2	Section 4.1
Steel mounting disk	Ted Pella, Inc.	16218	Section 4.1
carbon coated copper grid for TEM	Electron Microscopy Sciences	FCF400-Cu	Section 7.2
tweezers	Dumont	0203-N5AC-PO	Section 7.31
glow discharge system	Quorum Technologies	K100X	Section 7.2
DNA Engine Tetrad 2 Peltier Thermal Cycler	BIO-RAD	PTC–0240G	Section 3.3
Owl Easycast B2 Mini Gel Electrophoresis Systems	ThermoScientific	B2	Section 3.4.3
Seekam LE Agarose 500G	Lonza	50004	Section 3.4.1
GeneRuler 1kb Plus DNA Ladder, Ready-To-Use 75-20000bp	ThermoScientific	SM1333	Section 3.4.4
Nanodrop 2000c UV-vis Spectrophotometer	ThermoScientific		Section 3.7
0.2 um filter	Corning Inc.	431219	Section 7.1.2