Semiflexible 고분자 공부를 다양 한 도구로 DNA 나노튜브

Summary

Semiflexible 폴리머 생명체가 광범위 하 게 적용 되는 독특한 기계적 속성을 표시 합니다. 그러나, biopolymers에 대 한 체계적인 연구는 폴리머 강성 같은 속성은 액세스할 수 없습니다 이후 제한 됩니다. 이 원고는이 제한 프로그래밍 가능한 DNA 나노튜브, 강성 필 라 멘 트의 영향에 대 한 실험 연구를 활성화 하 여 우회는 어떻게 설명 합니다.

Abstract

셀 또는 biopolymer 네트워크 같은 복잡 한, 폴리머 기반 부드러운 물질의 기계적 성질도 클래식 프레임 유연한 폴리머도 엄밀한 막대의 이해할 수 있습니다. 기본 필 지 속성 길이 (l_p)를 통해 계량 되는 그들의 비 사라지는 백본 강성으로 뻗은 남아 있지만 그들은 또한 강한 열 변동 될 수 있습니다. 그들의 한정 된 굽 힘 강성 대량 네트워크, 큰 메시 크기를 제공 하면서 낮은 볼륨 분수에서 안정적인 장비의 형성을 활성화의 독특한, 특수 집단 역학 이끌어 낸다. 이 기본 원리는 (예를 들어, 셀 또는 조직), 자연에 널리 높은 분자 콘텐츠 및 따라서 퍼지는 촉진 또는 능동 이동 최소화. 그들의 생물 학적 영향 및 생체 hydrogels 잠재적인 기술 응용 프로그램, semiflexible 폴리머 상당한 연구 대상이 되었습니다. 그러나 그들은 자유롭게 조정 되지 않은 걸 필 라 멘 트 같은 천연 고분자에 의존 하는 때문에,, 이해할 수 있는 조사 도전 남아 있었다. 이러한 제한에도 불구 하 고 합성, 기계적으로 가변 및 semiflexible 폴리머의 부족, 말라 필 라 멘 트 일반적인 모델 시스템으로 설립 되었다. 주요 제한은 중앙 수량 l_p 자유롭게 거시적인 대량 구조에 미치는 영향을 연구 조정 될 수 없습니다입니다. 이 한계는 강성 필 라 멘 트의 제어 변경 수 있도록 구조적 프로그래밍 가능한 DNA 나노튜브를 채용 하 여 해결 되었습니다. 그들은 부분적으로 보완 가닥의 개별 세트 개별 둘레와 반지 구조에서 교배 타일 기반 디자인을 통해 형성 된다. 이 고리 사용 필 라 멘 트에 효과적인 중 합 길이, 여러 미크론 끈끈한 끝 있으며 자연 biopolymers로 비슷한 중 합 속도 론을 표시 합니다. 그들의 프로그래밍 가능한 역학 때문이 튜브는 단일 분자 대량 규모에 l_p 의 영향을 공부 다재 다능 한, 소설 도구입니다. 말라 필 라 멘 트, 달리 그들은 주 동안에, 주목할 만한 변성 없이 안정적으로 유지 하 고 그들의 처리는 comparably 간단.

Introduction

그들의 독특한 기계적 성질으로 사용 복잡 한 동작으로 인해 semiflexible 폴리머는 생활 문제의 근본적인 빌딩 블록. 유연한 고분자, 달리 semiflexible 폴리머 여전히 강한 열 변동¹에 따라 하면서 자신의 비 사라지는 백본 강성 때문 뻗은 구성 채택. 따라서, 순전히 확률적 모델은 완벽 하 게 유연 하거나 딱딱한 폴리머의 극치와 마찬가지로 그들의 행동에 적용할 수 없습니다. 소위 벌레 같은 체인 모델^2,,34 _p l통해이 강성 필 라 멘 트⁴따라 접선 탄젠트 상관 관계의 붕괴 상수는 척도를 개발 되었다. L_p 는 윤곽선 길이 (l_c)는 필 라 멘 트의 비교, 폴리머 semiflexible¹를 간주 됩니다. 텐트의 기둥에 유사한, 그들의 준비 네트워크 또는 번들 안정화 낮은 볼륨 분수, 특이 한 점 탄성 속성^{5,6,7, 선도에서 전체 집단 시스템 8,9}. 이러한 구조는 높은 신축성 대형 메쉬 크기¹⁰, 아직도 퍼지는 촉진 및 활성 전송 프로세스 동안 기계적 무결성을 유지 제공 합니다. 이 속성은 특히 골격 또는 기질, 생물 학적 시스템에 적합 하지만 그것은 식품 공학^1,,1112에서 또한 널리 이용 된다.

생활 문제에 그들의 의미를 넘어가 고, 포괄적으로 생체 모방 재료 또는 소설 hydrogels 개발 도구 순서 이러한 구조체의 물성을 검토 하 결정적 이다. Semiflexible 폴리머의 관점에서이 단일 필 라 멘 트 속성 l_p 설명 이론적 프레임 워크의 개발 등에서 발생 하는 네트워크의 집단 속성의 체계적인 결정을 의미 합니다. 선구적인 연구에서 세포 biopolymer 말라 semiflexible 고분자를 위한 모델 시스템으로 설립 되었다와 금^5,13,,1415 에 아직도 널리 것으로 간주 됩니다. ^{, 16 , 그러나 17}., 철저 한 연구는이 시스템 제한 때문에 그들은이 단백질의 고유한 속성에 바인딩됩니다. 다양 한 이론적 접근 건물 단일 필 라 멘 트 수준에서 특수 기계 동작의 설명 목적으로 그리고 특히 다른 배율 예측에 의존에 대 한 선형 탄성 고원 전단 탄성 계수, G의 지도 ₀ (즉, 네트워크의 “신축성”), 농도 (c) 및 l_p^{6,7,,1314, 15,18,19,20,21,,2223}. 농도 스케일링은 걸 기반으로 실험 또는 다른 모델 시스템에 쉽게 액세스할 수 있으며 이론적인 예측을 엄격 하 게 되었습니다 확인^{13,,1624, 25}, 실험적으로 접근 하기 어려운 남아 있다 l_p 에 관하여 스케일링. 그러나 L_p 은 semiflexible 고분자의 정의 수량은 독립 변수 이기도 때문이,, 주요 한계입니다.

이 중앙, 자연 제한 걸의 고정된 l_p 또는 콜라겐 같은 다른 생물학으로 파생 된 중합체에 의해 부과 된 최근 타일 기반 DNA 튜브, 그들의 기계적 성질에 가변을 사용 하 여 해결 되었습니다. ^{9 , 26 , 27 , 28}. (단위 링 내 가닥 구성 DNA의예를 들어, 서로 다른 숫자) 튜브의 아키텍처에 약간의 변화가 항복 l_p, 형광 현미경 검사 법을 통해 평가 될 수 있는 고유 값 한 변동 튜브를 분석 하거나 여러 준수 튜브의 곡선된 구성을 평가 하 여,와 같이 설명한 이전^9,28. 이러한 분석을 다른 튜브 인구의 l_p 값 이상의 크기 순서에 따라 달라 지는 다른 평가 기술을 일관 된 결과^9,28항복 공개 했다.

놀랍게도, 농도 및 l_p 선형 탄성 고원 전단 계수 G₀ 의 전반적인 비율 보고 되었습니다 모든 이전 이론적 접근와 일치 하도록 ⁹, 특히 훨씬 시연 시 l_p예측된 의존 보다 강한. 이러한 연구 결과 semiflexible 폴리머의 중앙 속성을 공부 하는 새로운 모델 시스템의 가치를 강조 한다. N채용-헬릭스 DNA 튜브 극적으로 이러한 조사의 범위를 높 혔 습니다. 수 l_p 기본 재료를 변경 하지 않고 자유롭게 변화 될 뿐만 아니라 DNA의 고유한 프로그래밍 가능한 특성 추가 요소, crosslinks 등 운동 스위칭 프로세스의 체계적인 검사를 사용할 수 있습니다. 또한, 이러한 튜브 물에 용 해 되며, 대부분의 단백질 달리 적절 한 pH와 이온 조건 감지 저하⁹없이 몇 주 동안 안정.

이러한 튜브 조립 DNA oligonucleotides의 개별 집합은 사용 되, 각각 포함 된 2 개의 이웃 물가를 보완 기본 시퀀스를 공유 하는 두 개의 도메인 (특정 시퀀스 때문에 한 가닥 형성할 수 없습니다 머리 핀 같은 구조). 상호 보완적인 시퀀스 교배 n 상호 더블 헬리컬 세그먼트의 동봉, 반 겹치는 반지를 형성, 순환 방식에서 (그림 1A 및 B). 개별 직경 (그림 1C), 및 그들의 반 중복 구성에서이 고리 형태로 축 끈끈한 끝 다른 링의 끈끈한 끝에 무료 제공합니다. 이 선택적 추가 oligonucleotides 일치의 크기 n (nHT)의 filamentous DNA 나선 관의 효과적인 중 합으로 이어지는 반지의 스태킹 트리거합니다. 그들의 윤곽선 길이 일반적으로 길이, 여러 미크론을 측정 하 고 그들의 길이 분포는 걸 필 라 멘 트^9,26,,2728의 비교. 그것은 표시 되었습니다 유사한 DNA 나노튜브에 대 한 그들은 실제로 비슷한 걸 필 라 멘 트 및 microtubules의 중 합 속도 론을 전시p class = “외부 참조” > 29. 기본 반지 구조를 구성 하는 개별 DNA 물가의 수 n , 따라 nHT 건축으로 그것의 원주와 직경, 수 수 controllably 다양 합니다. 반지/튜브의 둘레 증가 더 많은 DNA 가닥을 사용 하 고 해당 건축 변경 이동에 해당 하는 높은 강성 높은 l_p 값 (그림 1C), 기계적 특성. 생체 규모 큰 l_p 값이 높은 강성으로 인해 덜 구부러진된 conformations 변환 (그림 1D 및 E).

Protocol

1. n HTs의 준비 참고: 여기, n 다른 단일 DNA 가닥을 특정 크기의 나선 관의 형성에 관여의 수를 나타냅니다. N = 8, 8 개의 다른 단일 DNA 가닥 단위 링 메이크업. 구매 DNA 시퀀스 (HPLC 순도 등급 이상) 적당 한 DNA 합성에서 서비스 또는 높은-품질 합성 및 정화 (모범적인 시퀀스를 표 1에 주어진). 정화 물에 따라 더 물의 resuspension resuspe…

Representative Results

온도 경사로 (그림 2)를 통해 DNA 나노튜브의 어셈블리 이러한 인공 semiflexible 폴리머를 형성 하는 매우 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이러한 고분자 걸 필 라 멘 트, 등 그들의 자연적 사건 대응에 유사한 특성을가지고 있지만 훨씬 광범위 한 실험 프레임 워크를 그들의 기계적 특성은 controllably 될 수 있으므로 변경9,<sup class="xr…

Discussion

제대로 구성 된 네트워크를, DNA 나노튜브 조립은 중요 한 단계 이다. 합성 과정에서 오류 저하 튜브 품질; 따라서, HPLC 또는 더 엄격한 프로세스는 oligonucleotides 정화를 사용할 것이 좋습니다. 집합에서 n 구성 oligonucleotides의 아데닌 산출할 집계 DNA 나노튜브, 뿐만 아니라 그들의 길이 분포 보다 이산의 형성에 의하여 달려 있다, 이후 그것은 농도 측정 하는 데 필요한 구입한 가닥의 이후 값 주…

Materials

AFM cantilever ACTA	AppNano
AFM – NanoWizard 3	JPK Instruments
CCD camera	Andor	iXon DV887
DMSO	Sigma-Aldrich	D2650
DNA oligonucleotides	Biomers.net		For sequences see Table 1
DNA Cy3-labeled oligonucleotides	Biomers.net		For sequence see Table 1
EDTA	Sigma-Aldrich	E-9884
Epi-fluorescence micro-scope	Leica	DM-IRB
MgCl2	Sigma-Aldrich	M-8266
Mica "V1", 12 mm round	Plano GmbH	50-12
MicroAmp® Fast Optical 96-Well Reaction Plate	Thermo Fisher Scientific Inc.	4346907
MicroAmp® Optical Adhesive Film	Thermo Fisher Scientific Inc.	4306311
NanoDrop 1000 Spectrophotometer	Thermo Fisher Scientific Inc.
100x objective	Leica5	506168
Purified water	Merk Millipore – Milli-Q & Elix
Sapphire PCR tubes	Greiner Bio-One	683271
TProfessional Standard PCR Thermocycler	Core Life Sciences Inc.	070- Standard
7900HT Fast Real-Time PCR System	Applied Biosystems	4351405
Rheometer	TA Instruments	ARES
SYBR® Green I nucleic acid gel stain	Thermo Fisher Scientific Inc.	S7567
Tris	Sigma-Aldrich	T4661
Triton X-100	Sigma-Aldrich Co.	X-100	Suppresses evaporation of sample at air-water interface