Проектирование Bio-отзывчивый робота из ДНК-оригами
Summary
ДНК-оригами является мощным методом для изготовления точных наноразмерных объектов путем программирования самосборки молекул ДНК. Здесь мы описываем как оригами ДНК могут быть использованы для разработки робота робота с возможностью восприятия биологические сигналы и реагировать на изменения формы, впоследствии передаются желаемого эффекта.
Abstract
Нуклеиновые кислоты являются удивительно универсальны. В дополнение к своей естественной роли в качестве носителя для биологической информации 1, они могут быть использованы в параллельных вычислений 2,3, распознавать и связывать молекулярных или клеточных мишеней 4,5, катализируют химические реакции 6,7 и генерировать рассчитывается реакций в биологических Система 8,9. Важно отметить, что нуклеиновые кислоты могут быть запрограммированы на самоорганизуются в 2D и 3D структур 10-12, что позволяет интегрировать все эти замечательные функции в одном робот связывающих зондирования биологических сигналов до заданного ответа с целью оказания желаемого эффекта.
Создание фигур из нуклеиновых кислот был впервые предложен Seeman 13, и несколько вариаций на эту тему с тех пор было реализовано с использованием различных методов 11,12,14,15. Однако самым значительным, пожалуй, один предложенный Ротемунд, называемые ДНК-оригами scaffolded16. В этом способе сворачивания длинных (> 7000 оснований) одноцепочечной ДНК "лесов" относится к желаемой форме на сотни коротких комплементарных нитей называют "скобы. Складные осуществляется отжига рампы. Этот метод был успешно продемонстрировали в создании разнообразных 2D формы с удивительной точностью и надежностью. ДНК-оригами позже была распространена на 3D, а 17,18.
В настоящем документе основное внимание будет уделено программным обеспечением caDNAno 2,0 19 разработана Дугласом и коллег. caDNAno это надежный, удобный инструмент, позволяющий CAD проектирования 2D и 3D форм ДНК-оригами с универсальными функциями. Процесс проектирования опирается на систематические и точные абстракции схема структуры ДНК, что делает его относительно простым и эффективным.
В данной работе мы демонстрируем конструкцию ДНК-оригами Н.А.norobot, который был недавно описан 20. Этот робот является "роботом" в том смысле, что она связывает зондирования на приведение, для того, чтобы выполнить задачу. Поясним, как различные схемы зондирования может быть интегрирован в структуру, и как это может быть передана желаемого эффекта. Наконец, использование Cando 21 для имитации механических свойств заданной формы. Концепция, которую мы обсудим может быть адаптирована к нескольким задачам и параметрам.
Protocol
Representative Results
Discussion
ДНК-оригами позволяет изготовить точно определены объекты с произвольными функциями на наноуровне. Следующим важным шагом будет интеграция функций в эти проекты. Хотя многие приложения и задачи можно решить с помощью этой технологии, есть особый интерес к изготовлению терапевтическ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают благодарность С. Дуглас чрезвычайно ценным для обсуждения и советы, и все члены Бачелет лаборатории за полезные обсуждения и работы. Работа выполнена при поддержке грантов от факультета естественных наук и Института нанотехнологий и современных материалов при Университете Бар-Илан.
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).
