Designa en Bio-lyhörd robot från DNA Origami
Summary
DNA origami är en kraftfull metod för att tillverka exakta nanoskala objekt genom att programmera självorganisering av DNA-molekyler. Här beskriver vi hur DNA origami kan utnyttjas för att utforma en robot robot kan avkänna biologiska signaler och svara efter form skiftande, därefter vidarebefordras till en önskad effekt.
Abstract
Nukleinsyror är förvånansvärt mångsidig. Förutom deras naturliga roll som lagringsmedium för biologisk information 1, kan de användas i parallella beräkningar 2,3, känna igen och binda molekylära eller cellulära mål 4,5, katalysera kemiska reaktioner 6,7, och generera beräknade svar i ett biologiskt systemet 8,9. Viktigt kan nukleinsyror programmeras att själv montera in 2D-och 3D-konstruktioner 10-12, möjliggöra integrering av alla dessa fantastiska funktioner i en enda robot som förenar avkänning av biologiska ledtrådar till en förinställd svar i syfte att utöva en önskad effekt.
Skapa former från nukleinsyror först föreslogs av Seeman 13, och flera variationer på detta tema har sedan realiserats med hjälp av olika tekniker 11,12,14,15. Dock är det mest betydelsefulla kanske den som föreslås av Rothemund, benämnd bygga ställning DNA origami16. I denna teknik, är vikningen av en lång (> 7000 baser) enkelsträngat DNA "byggnadsställning" riktad till en önskad form av hundratals korta komplementära strängar benämnda "klammer". Folding utförs av temperatur glödgning ramp. Denna teknik demonstrerades framgångsrikt i skapandet av en mångfald av 2D-former med anmärkningsvärd precision och robusthet. DNA origami utvidgades senare till 3D samt 17,18.
Den aktuella papper kommer att fokusera på caDNAno 2.0-programvara 19 utvecklats av Douglas och kollegor. caDNAno är en robust, användarvänlig CAD-verktyg som möjliggör konstruktion av 2D-och 3D-DNA origami-former med mångsidiga funktioner. Designprocessen bygger på en systematisk och noggrann abstraktion system för DNA-strukturer, vilket gör det relativt enkelt och effektivt.
I denna artikel visar utformningen av en DNA-origami nanorobot som nyligen har beskrivits 20. Denna robot är "robot" i den meningen att den knyter avkänning till aktivering, för att utföra en uppgift. Vi förklarar hur olika sensing system kan integreras i strukturen, och hur detta kan förmedlas till en önskad effekt. Slutligen använder vi Cando 21 för att simulera de mekaniska egenskaperna hos den designade form. Konceptet diskuterar vi kan anpassas till flera uppgifter och inställningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA origami gör att vi kan tillverka exakt definierade objekt med godtyckliga funktioner i nanoskala. Ett viktigt nästa steg skulle vara att integrera funktionen i dessa konstruktioner. Medan många tillämpningar och utmaningar kan hanteras med denna teknik, det finns ett särskilt intresse av att tillverka terapeutiska och vetenskapliga robotar från DNA origami, eftersom dessa utgör en naturlig miljö av DNA. DNA gränssnitt redan med molekylära maskineriet i cellerna som en genetisk information lagringsmedium. I…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka S. Douglas för extremt värdefulla diskussioner och råd, och alla medlemmar i Bachelet labbet för bra diskussioner och arbete. Detta arbete stöds av bidrag från fakulteten för livsvetenskaper och Institute of Nanotechnology & Advanced Materials vid Bar-Ilan University.
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).
