डिजाइन और एक पुनर्विन्यास डीएनए accordion रैक के संश्लेषण
Summary
हम डिजाइन, सिमुलेशन, गीला प्रयोगशाला प्रयोगों के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल का वर्णन है, और 6 के 6 जाल से एक पुनः विन्यास डीएनए accordion रैक के लिए विश्लेषण ।
Abstract
डीएनए nanostructure-आधारित यांत्रिक प्रणाली या डीएनए nanomachines, जो 2d और नैनोमीटर में ångström संकल्प को 3 डी में जटिल नेनो गति का उत्पादन, इस तरह के आणविक रिएक्टरों के रूप में नैनो के विभिंन क्षेत्रों में महान क्षमता दिखाने के लिए, दवा वितरण, और nanoplasmonic प्रणालियों । पुनर्विन्यास डीएनए accordion रैक, जो सामूहिक रूप से एक 2d या तत्वों के 3 डी नेनो नेटवर्क में हेरफेर कर सकते हैं, डीएनए आदानों के जवाब में कई चरणों में, वर्णित है । मंच के तत्वों की संख्या है कि डीएनए nanomachines कुछ तत्वों से विंयास के कई चरणों के साथ एक नेटवर्क पैमाने पर नियंत्रित कर सकते है बढ़ाने की क्षमता है ।
इस प्रोटोकॉल में, हम 6 जाल से 6 के पुनर्विन्यास डीएनए accordion रैक के पूरे प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन । प्रोटोकॉल संरचना और संश्लेषण और पुनर्विन्यास के लिए एक गीला प्रयोगशाला प्रयोग के एक डिजाइन नियम और सिमुलेशन प्रक्रिया भी शामिल है । इसके अलावा, उनि का उपयोग संरचना का विश्लेषण (संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी) और झल्लाहट (प्रतिदीप्ति अनुनाद ऊर्जा अंतरण) प्रोटोकॉल में शामिल है. उपंयास डिजाइन और सिमुलेशन इस प्रोटोकॉल में शामिल तरीकों शोधकर्ताओं की सहायता के लिए आगे अनुप्रयोगों के लिए डीएनए accordion रैक का उपयोग करेगा ।
Introduction
यांत्रिक प्रणाली डीएनए nanostructures या डीएनए nanomachines पर आधारित1,2,3,4,5 अद्वितीय है क्योंकि वे नैनोमीटर में 2d और 3 डी में जटिल नेनो गति का उत्पादन ångström संकल्प, विभिंन आणविक उत्तेजनाओं2,3,6के अनुसार । इन संरचनाओं पर कार्यात्मक सामग्री संलग्न और उनकी स्थिति को नियंत्रित करके, इन संरचनाओं विभिंन क्षेत्रों के लिए लागू किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, डीएनए nanomachines एक आणविक रिएक्टर के लिए प्रस्तावित किया गया है7, दवा वितरण8, और nanoplasmonic सिस्टम9,10.
पहले, हम पुनर्विन्यास डीएनए accordion रैक, जो11 तत्वों के एक 2d या 3 डी नेनो नेटवर्क हेरफेर कर सकते है शुरू की (आंकड़ा 1a) । अन्य डीएनए nanomachines कि केवल कुछ तत्वों पर नियंत्रण के विपरीत, मंच सामूहिक रूप से विभिन्न चरणों में समय-सारणी 2d या 3 डी तत्वों में हेरफेर कर सकते हैं । हमें आशंका है कि एक प्रोग्राम रासायनिक और जैविक प्रतिक्रिया नेटवर्क या एक आणविक कंप्यूटिंग प्रणाली हमारे सिस्टम से बनाया जा सकता है, नियंत्रणीय तत्वों की संख्या बढ़ रही है । डीएनए accordion रैक एक संरचना है, जिसमें कई डीएनए मुस्कराते हुए के नेटवर्क एकल असहाय डीएनए (आंकड़ा 1b) से बना जोड़ों के लिए जुड़ा हुआ है । डीएनए मुस्कराते हुए द्वारा उत्पन्न accordion रैक डीएनए ताले, जो मुस्कराते हुए के चिपचिपा हिस्सा करने के लिए संकरण और ताले (राज्य बंद) के ब्रिजिंग भाग की लंबाई के अनुसार बीम के बीच कोण बदलने के द्वारा reconfigureed है । इसके अलावा, बहु कदम विंयास toehold आधारित किनारा विस्थापन12,13के माध्यम से डीएनए ताले अलग करके मुक्त राज्य के गठन के बाद नए ताले जोड़कर प्रदर्शन किया है ।
इस प्रोटोकॉल में, हम पूरी डिजाइन और पुनर्विन्यास डीएनए accordion रैक के संश्लेषण की प्रक्रिया का वर्णन । प्रोटोकॉल डिजाइन, सिमुलेशन, गीले प्रयोगशाला प्रयोगों, और 6 के डीएनए accordion रैक के संश्लेषण के लिए विश्लेषण शामिल 6 जाल और इनमें से एक पुनर्विन्यास । संरचना प्रोटोकॉल में शामिल पिछले अनुसंधान11 के मूल मॉडल है और ६५ एनएम के आकार में ६५ एनएम है, 14 बीम से मिलकर । डिजाइन और सिमुलेशन के संदर्भ में, accordion रैक के संरचनात्मक डिजाइन पारंपरिक डीएनए origami से अलग है14,15 (यानी, कसकर पैक) । इसलिए, डिजाइन नियम और आणविक सिमुलेशन पारंपरिक तरीकों से संशोधित किया गया है । प्रदर्शित करने के लिए, हम डिजाइन तकनीक शो14 caDNAno के संशोधित दृष्टिकोण का उपयोग और accordion रैक का अनुकरण16oxDNA अतिरिक्त लिपियों के साथ,17 का उपयोग कर । अंत में, उनि और झल्लाहट के दोनों प्रोटोकॉल कॉंफ़िगर accordion रैक संरचनाओं के विश्लेषण के लिए वर्णित हैं ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल डिजाइन, सिमुलेशन, संश्लेषण, और बुनियादी 2 डी डीएनए accordion रैक के विश्लेषण से पूरी प्रक्रिया का परिचय । संशोधित डिजाइन और सिमुलेशन नियमों का वर्णन किया गया है क्योंकि डिजाइन नियम मानक डीएनए origami…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को आंशिक रूप से वैश्विक अनुसंधान विकास केंद्र कार्यक्रम कोरिया के नेशनल रिसर्च फाउंडेशन (एनआरएफ) विज्ञान और आईसीटी (MSIT) (2015K1A4A3047345) और नैनो · मंत्रालय द्वारा वित्त पोषित के माध्यम से समर्थन किया था विज्ञान और आईसीटी (MSIT) (2012M3A7A9671610) के द्वारा वित्त पोषित नेशनल रिसर्च फाउंडेशन ऑफ कोरिया (एनआरएफ) के माध्यम से सामग्री प्रौद्योगिकी विकास कार्यक्रम । सियोल नेशनल यूनिवर्सिटी में इंस्टीट्यूट ऑफ इंजीनियरिंग रिसर्च ने इस काम के लिए शोध सुविधाएं उपलब्ध कराई । लेखक ताे के प्रति कृतज्ञता व्यक्त करते हैं-यंग Yoon (जैविक विज्ञान, सियोल राष्ट्रीय विश्वविद्यालय) झल्लाहट विश्लेषण के लिए प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी के संबंध में.
Materials
| M13mp18 Single-stranded DNA | NEB | N4040s | |
| 1M MgCl2 Solution | Biosesang | M2001 | |
| Tris-EDTA buffer | Biosesang | T2142 | |
| Nuclease-Free Water | Qiagen | 129114 | |
| 5M Sodium Chloride solution | Biosesang | s2007 | |
| PEG 8000 | Sigma Aldrich | 1546605 | |
| 10N NaOH | Biosesang | S2038 | |
| Uranyl formate | Thomas Science | C993L42 | |
| Thermal cycler C1000 | Biorad | ||
| Nanodropic 2000 | Thermo Fisher Scientific | ||
| TEM (LIBRA 120) | Carl Zeiss | ||
| Fluorometer Enspire 2300 | Perkin-Elmer | ||
| Centrifuge | Labogene | LZ-1580 |
References
- Andersen, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).
- Cha, T. -. G., et al. Design principles of DNA enzyme based walkers: Translocation kinetics and photo-regulation. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9429-9437 (2015).
- Gerling, T., Wagenbauer, K. F., Neuner, A. M., Dietz, H. Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non-base pairing 3D components. Science. 347 (6229), 1446-1452 (2015).
- Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature nanotechnology. 6 (12), 763-772 (2011).
- Li, J., et al. Exploring the speed limit of toehold exchange with a cartwheeling DNA acrobat. Nature Nanotechnology. 1, (2018).
- Krishnan, Y., Simmel, F. C. Nucleic acid based molecular devices. Angewandte Chemie International Edition. 50 (14), 3124-3156 (2011).
- Liu, M., et al. A DNA tweezer-actuated enzyme nanoreactor. Nature communications. 4, 2127 (2013).
- Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science. 335 (6070), 831-834 (2012).
- Kuzyk, A., et al. Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules. Nature Materials. 13 (9), 862-866 (2014).
- Zhou, C., Duan, X., Liu, N. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami. Nature communications. 6, 8102 (2015).
- Choi, Y., Choi, H., Lee, A. C., Lee, H., Kwon, S. A Reconfigurable DNA Accordion Rack. Angewandte Chemie International Edition. 57 (11), 2811-2815 (2018).
- Chen, H., et al. Understanding the Mechanical Properties of DNA Origami Tiles and Controlling the Kinetics of their Folding and Unfolding Reconfiguration. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6995-7005 (2014).
- Han, D., Pal, S., Liu, Y., Yan, H. Folding and cutting DNA into reconfigurable topological nanostructures. Nature Nanotechnology. 5 (10), 712-717 (2010).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37 (15), 5001-5006 (2009).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature methods. 8 (3), 221-229 (2011).
- Ouldridge, T. E., Louis, A. A., Doye, J. P. K. DNA Nanotweezers Studied with a Coarse-Grained Model of DNA. Physical Review Letters. 104 (17), 178101 (2010).
- Snodin, B. E. K., et al. Direct Simulation of the Self-Assembly of a Small DNA Origami. ACS Nano. 10 (2), 1724-1737 (2016).
- Amir, Y., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. Folding and Characterization of a Bio-responsive Robot from DNA Origami. Journal of Visualized Experiments. (106), e51272 (2015).
- Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions. Angewandte Chemie International Edition. 53 (47), 12735-12740 (2014).
- Wei, B., Vhudzijena, M. K., Robaszewski, J., Yin, P. Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles. Journal of Visualized Experiments. (99), e52486 (2015).
- Clegg, R. M. Fluorescence resonance energy transfer and nucleic acids. Methods in enzymology. 211, 353-388 (1992).
- Kopperger, E., et al. A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science. 359 (6373), 296-301 (2018).
- Lauback, S., et al. Real-time magnetic actuation of DNA nanodevices via modular integration with stiff micro-levers. Nature Communications. 9 (1), 1446 (2018).
