Auto-assemblage de formes bidimensionnelles complexes de l'ADN simple brin Tuiles

Summary

DNA tiling is an effective approach to make programmable nanostructures. We describe the protocols to construct complex two-dimensional shapes by the self-assembly of single-stranded DNA tiles.

Abstract

Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this article, we describe detailed protocols on how to fabricate sophisticated 2D shapes through the self-assembly of uniquely addressable single-stranded DNA tiles which act as molecular pixels on a molecular canvas. Each single-stranded tile (SST) is a 42-nucleotide DNA strand composed of four concatenated modular domains which bind to four neighbors during self-assembly. The molecular canvas is a rectangle structure self-assembled from SSTs. A prescribed complex 2D shape is formed by selecting the constituent molecular pixels (SSTs) from a 310-pixel molecular canvas and then subjecting the corresponding strands to one-pot annealing. Due to the modular nature of the SST approach we demonstrate the scalability, versatility and robustness of this method. Compared with alternative methods, the SST method enables a wider selection of information polymers and sequences through the use of de novo designed and synthesized short DNA strands.

Introduction

Acide nucléique précédent travail d'auto-assemblage ^1-25 a conduit à la construction réussie d'une variété de structures complexes, y compris l'ADN ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} ou d'ARN ^{7,22 3,4,7 périodique, 22} et algorithmique ⁵ bidimensionnelles treillis, rubans ^10,12 et tubes ^4,12,13, cristaux 3D ^{17, 11} et polyèdres finis, formes 2D ^7,8. Une méthode particulièrement efficace est échafaudée l'ADN origami, par lequel un seul brin d'échafaudage est plié par de nombreux courts brins de base auxiliaires pour former une forme complexe ^{9,14 – 16,18 – 21,25.}

Nous avons récemment rapporté une méthode pour construire des nanostructures discrètes avec des formes 2D prescrites en utilisant les tuiles simple brin (SST), et démontré la complexité des structures comparables à l'ADN origami ^26. Cette article est une adaptation de notre travail antérieur ²⁶ et décrit des protocoles détaillés pour organiser SST adressables individuellement dans des formes 2D finis sophistiqués avec des dimensions précisément prescrites (largeurs et longueurs) et morphologies. Un avantage clé de la méthode SST est sa modularité. Chaque SST composant d'une structure sert d'unité de construction modulaire dans l'assemblée, et les différents sous-ensembles de ces SST produire des formes distinctes. Ainsi, nous avons créé une plate-forme générale pour construire des nanostructures avec des tailles et des formes prescrites à partir de courts brins d'ADN synthétiques.

SST contiennent quatre domaines, chacun 10 ou 11 nucléotides de long (figure 1A). Les SST lient de telle sorte que leurs hélices parallèles créent un réseau d'ADN maintenus ensemble par des liens croisés. Chaque croisement est le phosphate entre les domaines 2 et 3. Le phosphate est étiré artificiellement dans les schémas pour la clarté visuelle. Les croisements sont espacés deux spires hélicoïdales (21 bases) d'intervalle (<strong> Figure 1B). Les rectangles composites sont désignés par leurs dimensions dans le nombre d'hélices et les spires hélicoïdales. Par exemple, un rectangle qui est six hélices de large et huit spires hélicoïdales longue est référencé comme un rectangle 6H × 8T. SST peut être omis, ajoute, ou autrement réarrangés pour créer des structures de formes et de tailles (figure 1C) arbitraires. Par exemple, une forme rectangulaire peut être enroulée dans un tube à une longueur souhaitée et du rayon (figure 1D).

Alternativement, le SST réseau rectangulaire peut être considérée comme une toile moléculaire constitué de SST pixels, chaque 3 nm de 7 nm. Dans cette étude, nous utilisons une toile moléculaire de 310 pleine longueur SST internes, 24 SST-métrages qui composent les limites gauche et droite, et 28 demi-longueur SST constituent les limites supérieure et inférieure. La toile a 24 doubles hélices reliées par des croisements et chaque hélice contient 28 spires hélicoïdales (294 bases) et est donc appeléune 24H × 28T toile rectangulaire. Le 24H × toile 28T a un poids moléculaire similaire à celle d'une structure de l'ADN origami créé à partir d'un phage M13 échafaudage.

Protocol

1. Séquence ADN Conception Utilisez un logiciel UNIQUIMER 27 de concevoir une structure SST-finis en spécifiant le nombre de doubles hélices, des longueurs de hélice haut et en bas pour chaque double hélice, et le motif de croisement pour créer une 24H × toile de 28T. Après avoir défini ces paramètres, l'architecture générale (composition de brin et l'agencement de la complémentarité) est illustrée graphiquement dans le programme. Générer des séquences pour les b…

Representative Results

L'auto-assemblage de SST (figure 1) donnera une 24H x 28T rectangle, comme illustré sur la Figure 2. Les séquences d'ADN pour les différents TDDS peuvent être modifiés / optimisé pour permettre l'étiquetage de la streptavidine (figure 3 et 4), la transformation d'un rectangle dans un tube (figure 5), l'auto-assemblage programmable de SST pour former des tubes et des rectangles de différentes tailles (…

Discussion

Dans l'étape de formation de la structure, il est important de maintenir une concentration appropriée de cations de magnésium (par ex., 15 mM) dans le mélange de brin d'ADN de nanostructures d'ADN auto-assembler. De même, dans l'étape de caractérisation gel d'agarose / purification, il est important de maintenir une concentration de cations de magnésium approprié (par ex., 10 mM) dans le gel et le tampon du gel de fonctionnement pour retenir les nanostructures d'ADN dur…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
DNA Strands	Integrated DNA Technology		Section 3.1
SYBR Safe DNA gel stain	Invitrogen	S33102	Section 3.4.2
Freeze'N Squeeze DNA Gel Extraction Spin Columns	BIO-RAD	731-6166	Section 3.6
Bruker's Sharp Nitride Lever Probes	Bruker AFM Probes	SNL10	Section 4.3
Safe Imager 2.0 Blue Light Transilluminator	Invitrogen	G6600	Section 3.6
Centrifuge 5430R	Eppendorf	5428 000.414	Section 3.6
Transmission Electron Microscope	Jeol	Jem 1400	Section 7.4
Multimode 8	Veeco		Section 4
Typhoon FLA 9000 Laser Scanner	GE Heathcare Life Sciences	28-9558-08	Section 3.5
Ultrapure Distilled water	Invitrogen	10977-023	Section 3.7.1
Mica disk	SPI Supplies	12001-26-2	Section 4.1
Steel mounting disk	Ted Pella, Inc.	16218	Section 4.1
carbon coated copper grid for TEM	Electron Microscopy Sciences	FCF400-Cu	Section 7.2
tweezers	Dumont	0203-N5AC-PO	Section 7.31
glow discharge system	Quorum Technologies	K100X	Section 7.2
DNA Engine Tetrad 2 Peltier Thermal Cycler	BIO-RAD	PTC–0240G	Section 3.3
Owl Easycast B2 Mini Gel Electrophoresis Systems	ThermoScientific	B2	Section 3.4.3
Seekam LE Agarose 500G	Lonza	50004	Section 3.4.1
GeneRuler 1kb Plus DNA Ladder, Ready-To-Use 75-20000bp	ThermoScientific	SM1333	Section 3.4.4
Nanodrop 2000c UV-vis Spectrophotometer	ThermoScientific		Section 3.7
0.2 um filter	Corning Inc.	431219	Section 7.1.2