Het ontwerpen van een Bio-responsieve Robot van DNA Origami
Summary
DNA-origami is een krachtige methode voor het vervaardigen van nauwkeurige nanoschaal objecten door de zelf-assemblage van DNA-moleculen programmeren. Hier beschrijven we hoe origami DNA kan worden gebruikt om een robot robot kan voelen biologische signalen en reageren door vormverandering vervolgens doorgegeven aan een gewenst effect te ontwerpen.
Abstract
Nucleïnezuren zijn verbazingwekkend veelzijdig. Naast hun natuurlijke rol als opslagmedium voor biologische informatie 1, kunnen ze worden gebruikt in parallel computing 2,3, herkennen en binden moleculaire of cellulaire doelwitten 4,5, 6,7 katalyseren chemische reacties en genereren berekend reacties in een biologisch systeem 8,9. Belangrijk is dat nucleïnezuren worden geprogrammeerd om zichzelf assembleren tot 2D-en 3D-structuren 10-12, waardoor de integratie van deze opmerkelijke functies in een robot die de detectie van biologische signalen om een geprogrammeerde reactie om een gewenst effect uitoefenen.
Vormen van nucleïnezuren werd eerst voorgesteld door Seeman 13, en diverse variaties op dit thema inmiddels gerealiseerd met behulp van diverse technieken 11,12,14,15. Echter, het belangrijkste is misschien wel de door Rothemund voorgesteld een, genaamd de steigers DNA-origami16. In deze techniek wordt het vouwen van lange (> 7000 basen) enkelstrengs DNA "scaffold" betrekking op een gewenste vorm door honderden korte complementaire strengen zogenaamde "nietjes". Vouwen wordt uitgevoerd door de temperatuur gloeien helling. Deze techniek werd succesvol gedemonstreerd in de creatie van een uiteenlopende reeks van 2D-vormen met opmerkelijke precisie en robuustheid. DNA-origami werd later uitgebreid naar 3D en 17,18.
De huidige papieren zal zich richten op de caDNAno 2.0 software 19 ontwikkeld door Douglas en collega's. caDNAno is een robuuste, gebruiksvriendelijke CAD-tool waarmee het ontwerpen van 2D-en 3D-DNA origami vormen met veelzijdige functies. Het ontwerpproces is gebaseerd op een systematische en nauwkeurige abstractie regeling voor DNA-structuren, waardoor het relatief eenvoudig en efficiënt.
In dit document het ontwerp van een DNA origami na laten wenorobot die onlangs beschreven 20. Deze robot is 'robot' in de zin dat het Verwijzingen sensing te bedienen, om een taak uit te voeren. Uitgelegd hoe verschillende sensing systemen kunnen worden geïntegreerd in de structuur, en hoe dit kan worden doorgegeven aan een gewenst effect. Tenslotte gebruiken we Cando 21 te simuleren de mechanische eigenschappen van de ontworpen vorm. Het concept we bespreken kunnen worden aangepast aan meerdere taken en instellingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA-origami stelt ons in staat om nauwkeurig gedefinieerde objecten fabriceren met willekeurige eigenschappen op nanoschaal. Een belangrijke volgende stap zou de integratie van de functie worden in deze ontwerpen. Terwijl vele toepassingen en problemen kunnen worden aangepakt met deze technologie, is een bijzonder belang in het fabriceren therapeutische en wetenschappelijke robots DNA origami, gelijk staan natuurlijk milieu van DNA. DNA heeft interfaces met moleculaire machinerie in cellen als een genetische infor…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen S. Douglas bedanken voor het zeer waardevolle discussies en advies, en alle leden van de Bachelet lab voor nuttige discussies en werk. Dit werk wordt ondersteund door subsidies van de faculteit Life Sciences en het Instituut voor Nanotechnologie & Advanced Materials bij Bar-Ilan Universiteit.
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).
