تصميم روبوت الحيوية استجابة من اوريغامي الحمض النووي
Summary
اوريغامي الحمض النووي هو وسيلة قوية لانتاج الأجسام النانوية دقيقة بواسطة برمجة التجميع الذاتي للجزيئات الحمض النووي. هنا، نحن تصف كيف يمكن استخدام اوريغامي الحمض النووي لتصميم الروبوت الآلي قادرة على استشعار العظة البيولوجية والاستجابة من قبل شكل التحول، نقلت بعد ذلك إلى التأثير المطلوب.
Abstract
الأحماض النووية وتنوعا بشكل مدهش. بالإضافة إلى دورها الطبيعي وسيلة تخزين للمعلومات البيولوجية 1، فإنها يمكن أن تستخدم في الحوسبة المتوازية 2،3 والتعرف عليها وربط الأهداف الجزيئية أو الخلوية 4،5، 6،7 تحفيز التفاعلات الكيميائية، وتوليد استجابات محسوب في البيولوجية نظام 8،9. الأهم من ذلك، يمكن برمجتها الأحماض النووية للتجميع الذاتي في 2D و 3D هياكل 10-12، وتمكن من إدماج كل هذه الميزات الرائعة في روبوت واحد يربط بين الاستشعار من العظة البيولوجية إلى استجابة محددة مسبقا من أجل ممارسة التأثير المطلوب.
خلق الأشكال من الأحماض النووية كان أول من اقترح من قبل سيمان 13، ومنذ ذلك الحين أدركت العديد من الاختلافات حول هذا الموضوع باستخدام تقنيات مختلفة 11،12،14،15. ومع ذلك، فإن الأكثر أهمية هو ربما الذي تقترحه Rothemund، ووصف scaffolded اوريغامي الحمض النووي16. في هذه التقنية، يتم توجيه قابلة للطي منذ فترة طويلة (> 7،000 قواعد) الذين تقطعت بهم السبل الحمض النووي واحد 'سقالة' إلى الشكل المطلوب من قبل مئات من فروع متكاملة قصيرة تسمى 'المواد الغذائية'. ويتم الطي بها درجة الحرارة الصلب المنحدر. وقد تجلى هذا الأسلوب بنجاح في إنشاء مجموعة متنوعة من الأشكال 2D بدقة رائعة ومتانة. مددت اوريغامي الحمض النووي في وقت لاحق إلى 3D بالإضافة 17،18.
وستركز هذه الورقة على البرنامج 2.0 caDNAno 19 التي وضعتها دوغلاس والزملاء. caDNAno هي قوية وسهلة الاستخدام CAD أداة تمكين تصميم 2D و 3D DNA الأشكال اوريغامي مع ميزات متعددة الاستعمالات. تعتمد عملية التصميم على نظام التجريد المنهجي ودقيقة للهياكل الحمض النووي، مما يجعلها واضحة وفعالة نسبيا.
في هذه الورقة ونحن لشرح تصميم اوريغامي الحمض النووي NAnorobot التي تم وصفها مؤخرا 20. هذا الروبوت هو "الروبوتية" بمعنى أنه يربط ما بين الاستشعار عن بعد ليشتغل، من أجل تنفيذ مهمة. نفسر كيف يمكن أن تكون متكاملة مخططات الاستشعار المختلفة في الهيكل، وكيف يمكن أن يتم ترحيل هذه إلى التأثير المطلوب. وأخيرا ونحن نستخدم كاندو 21 لمحاكاة الخصائص الميكانيكية للشكل تصميم. مفهوم نناقش يمكن تكييفها مع المهام وإعدادات متعددة.
Protocol
Representative Results
Discussion
اوريغامي الحمض النووي تمكننا من تصنيع كائنات محددة بدقة مع ميزات التعسفي في المقياس النانوي. سيكون خطوة هامة تالية يكون التكامل من وظيفة في هذه التصاميم. بينما العديد من التطبيقات والتحديات يمكن معالجتها مع هذه التكنولوجيا، وهناك اهتمام خاص في افتعال الروبوتات الع?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر S. دوغلاس لإجراء مناقشات قيمة للغاية والمشورة، وجميع أعضاء المختبر لإجراء مناقشات مفيدة باشليه والعمل. وأيد هذا العمل من المنح المقدمة من كلية علوم الحياة ومعهد تقنية النانو والمواد المتقدمة في جامعة بار ايلان.
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 |
Referências
- 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).
