עיצוב רובוט ביו תגובה מ-DNA אוריגמי
Summary
אוריגמי DNA הוא שיטה רב עוצמה לבודת עצמים ננומטריים מדויקים על ידי תכנות ההרכבה העצמית של מולקולות DNA. כאן, אנו מתארים איך יכול להיות מנוצלים-DNA אוריגמי לעצב רובוט רובוטי מסוגלים לחוש סימנים ביולוגיים ולהגיב בצורת הסטה, לאחר מכן הועברה לאפקט רצוי.
Abstract
חומצות גרעין הן להדהים תכליתית. בנוסף לתפקידם הטבעי כאמצעי אחסון למידע ביולוגי 1, הם יכולים להיות מנוצלים במחשוב מקביל 2,3, להכיר ולאגד מטרות מולקולריות או תאי 4,5, לזרז תגובות כימיות 6,7, וליצור תגובות שחושבו בביולוגי מערכת 8,9. חשוב מכך, ניתן לתכנת חומצות גרעין עצמית להרכיב לתוך מבני 2D and 3D 10-12, המאפשרות שילוב של כל התכונות המרשימות האלה ברובוט אחד המקשרות את חישה של אותות ביולוגיים לתגובה מוגדרת מראש על מנת להפעיל את אפקט רצוי.
יצירת צורות מחומצות גרעין הוצעה לראשונה על ידי סימן 13, וכמה וריאציות על הנושא הזה מאז מומשו תוך שימוש בטכניקות שונות 11,12,14,15. עם זאת, משמעותי ביותר הוא אולי אחד המוצע על ידי רותמונד, כינה מלווה בתמיכת ה-DNA אוריגמי16. בטכניקה זו, הקיפול של גדילי דנ"א יחיד 'פיגום' ארוך (> 7,000 בסיסים) מופנה לצורה רצויה על ידי מאות גדילים המשלימים הקצרים כינה "סיכות". הקיפול מתבצע על ידי רמפת חישול בטמפרטורה. טכניקה זו באה לידי ביטוי בהצלחה ביצירת מערך מגוון של צורות 2D עם דיוק וחוסן ראויים לציון. ה-DNA אוריגמי הוארך מאוחר יותר ל 3D, כמו גם 17,18.
המאמר הנוכחי יתמקד בתוכנת caDNAno 2.0 19 שפותחה על ידי דאגלס ועמיתיו. caDNAno הוא חזק כלי CAD ידידותי למשתמש, המאפשר עיצוב של 2D וצורות 3D אוריגמי DNA עם תכונות מגוונות. תהליך העיצוב מסתמך על ערכת הפשטה שיטתית ומדויקת למבני DNA, מה שהופך אותו פשוט יחסית ויעילה.
במאמר זה ידגים לנו את העיצוב של ה-DNA אוריגמי נהnorobot שתואר לאחרונה 20. הרובוט הזה הוא "רובוטית" במובן זה שהיא קישורים לחישת actuation, על מנת לבצע את משימה. אנחנו נסביר כיצד ניתן לשלב ערכות חישה שונות לתוך המבנה, ואיך יכול להיות מועברים לזה אפקט רצוי. לבסוף אנו משתמשים Cando 21 כדי לדמות את התכונות מכאניות של הצורה מתוכננת. הרעיון שאנחנו דנים יכול להיות מותאם למשימות והגדרות רבות.
Protocol
Representative Results
Discussion
ה-DNA אוריגמי מאפשר לנו לייצר אובייקטים שהוגדרו במדויק עם תכונות שרירותיות בקנה המידה ננומטרי. השלב הבא חשוב יהיה האינטגרציה של פונקציה לתוך עיצובים אלה. בעוד יישומים רבים ואתגרים ניתן להתמודד עם טכנולוגיה זו, יש עניין מיוחד בבודת רובוטים טיפוליים ומדעיים מאוריגמי DNA…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות לס דאגלס לדיונים מאוד יקרי ערך וייעוץ, ואת כל החברים במעבדה בצלת לדיונים ועבודה מועילים. עבודה זו נתמכת על ידי מענקים מהפקולטה למדעי חיים והמכון לננוטכנולוגיה וחומרים מתקדמים באוניברסיטת בר אילן.
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 |
References
- 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).
