A auto-montagem de formas bidimensionais complexos de ADN de cadeia simples Azulejos

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

Anterior ácido nucleico de auto-montagem ^1-25 trabalho levou à bem sucedida da construção de uma variedade de estruturas complexas, incluindo ADN ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} ou RNA ^{7,22 3,4,7 periódica, 22} e algorítmica ⁵ bidimensionais treliças, fitas ^10,12 e tubos de ^4,12,13, cristais 3D ^17, poliedros ¹¹ e finitos, 2D formas ^7,8. Um método particularmente eficaz é o scaffold origami de DNA, em que uma cadeia simples de andaime é dobrado por muitos fios auxiliares curtas descontínuas, para formar uma forma complexa ^{9,14 – 16,18 – 21,25.}

Recentemente, relatou um método para a construção de nanoestruturas discretos com formas 2D prescritas utilizando azulejos de cadeia simples (SST), e demonstraram as estruturas com complexidade comparável à origami de ADN ^26. Este article é uma adaptação do nosso trabalho anterior ²⁶ e descreve os protocolos detalhados para organizar SSTs individualmente endereçáveis ​​em formas 2D finitos sofisticados, com dimensões precisamente prescritos (larguras e comprimentos) e morfologias. Uma das principais vantagens do método de SST é a sua modularidade. Cada componente SST de uma estrutura serve como uma unidade de construção modular na assembléia, e diferentes subconjuntos destes SSTs produzir formas distintas. Assim, estabelecemos uma plataforma geral para construir nanoestruturas com tamanhos e formas prescritas, de filamentos de DNA sintéticas curtas.

TSMs conter quatro domínios, cada um de 10 ou 11 nucleótidos de comprimento (Figura 1A). As SSTs vincular tal que as suas hélices paralelas criar uma estrutura de DNA realizada em conjunto por ligações de crossover. Cada passagem é o fosfato entre os domínios 2 e 3. O fosfato é esticado artificialmente nos diagramas para claridade visual. Os crossovers são espaçados duas voltas helicoidais (21 bases) de distância (<forte> Figura 1B). Os retângulos compostos são referidos por suas dimensões do número de hélices e voltas helicoidais. Por exemplo, um rectângulo que é de seis hélices de largura e oito helicoidal gira tempo é referida como um 6H × T8 rectângulo. SSTs pode ser deixado de fora, adicionado, ou de outra forma reorganizados para criar estruturas de formas e tamanhos (Figura 1C) arbitrárias. Por exemplo, um formato rectangular pode ser enrolada em forma de tubo com um comprimento desejado e um raio (Figura 1D).

Alternativamente, a estrutura rectangular SST pode ser visto como uma tela molecular constituído por SST pixels, cada um de 3 nm de 7 nm. Neste estudo, utilizamos uma lona molecular de 310 full-length SSTs internos, 24 SSTs-metragens que compõem os limites esquerdo e direito, e 28 SSTs metade do comprimento, formando os limites superior e inferior. A tela tem 24 hélices duplas ligações por cruzamentos e cada hélice contém 28 voltas helicoidais (294 bases) e, por conseguinte, é designado porum 24H × 28T lona retangular. O 24H × tela 28T tem um peso molecular semelhante ao de uma estrutura origami de DNA criado a partir de um fago M13 andaime.

Protocol

1. DNA Sequence projeto Use software UNIQUIMER 27 para projetar uma estrutura SST-finito, especificando o número de hélices duplas, comprimentos de hélice superior e inferior para cada dupla hélice, eo padrão cruzado para criar um 24H × lona 28T. Depois de definir estes parâmetros, a arquitetura geral (vertente composição eo arranjo complementaridade) é ilustrado graficamente no programa. Gerar sequências para os fios da estrutura especificada para atender o arranjo complementa…

Representative Results

A auto-montagem de SST (Figura 1) vai produzir uma 24H × 28T rectângulo, conforme ilustrado na Figura 2. As sequências de ADN para as diferentes SST pode ser modificada / optimizado para permitir rotulagem estreptavidina (Figura 3 e 4), a transformação de um retângulo para dentro de um tubo (Figura 5), a auto-montagem de SST programável para formar tubos e rectângulos de diversos tamanhos (Figura 10), e a constr…

Discussion

No passo de formação da estrutura, é importante manter uma concentração de catiões de magnésio apropriado (por exemplo., 15 mM) na mistura cadeia de ADN para nanoestruturas de DNA auto-montar. Do mesmo modo, no passo de caracterização em gel de agarose / purificação, é importante manter uma concentração de catiões de magnésio apropriado (por exemplo., 10 mM) em gel e o tampão de gel de corrida para reter as nanoestruturas de ADN durante a electroforese. Para a estrutura 24H × 28T rect…

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