Conception et synthèse d’un support accordéon ADN reconfigurables
Summary
Les auteurs décrivent le protocole détaillé de conception, simulation, expériences de wet-lab et l’analyse pour un carré d’accordéon d’ADN reconfigurable de 6 par 6 mailles.
Abstract
Systèmes mécaniques de nanostructure ADN ou DNA nanomachines, qui produisent le mouvement nanométriques complexes en 2D et 3D dans le nanomètre à résolution ångström, montrer beaucoup de potentiel dans divers domaines de la nanotechnologie comme les réacteurs moléculaires, délivrance de médicaments, et systèmes de nanoplasmonic. Le reconfigurable rack accordéon de l’ADN, qui peut manipuler collectivement un réseau échelle nanométrique 2D ou 3D des éléments, en plusieurs étapes en réponse aux entrées de l’ADN, est décrite. La plateforme a le potentiel d’augmenter le nombre d’éléments ADN nanomachines pouvant contrôler quelques éléments à l’échelle du réseau avec plusieurs étapes de reconfiguration.
Dans ce protocole, nous décrivons l’ensemble du processus expérimental du panier accordéon reconfigurable ADN de 6 par 6 mailles. Le protocole prévoit une procédure de simulation et de la règle de conception des structures et une expérience de humide-laboratoire de synthèse et de reconfiguration. En outre, l’analyse de la structure à l’aide de TEM (microscopie électronique à transmission) et FRET (transfert d’énergie de fluorescence resonance) est inclus dans le protocole. Les nouvelles méthodes de conception et de simulation couverts par le présent protocole aidera les chercheurs à utiliser la grille accordéon de l’ADN pour les autres applications.
Introduction
Systèmes mécaniques basés sur des nanostructures d’ADN ou d’ARN nanomachines1,2,3,4,5 sont uniques parce qu’elles produisent mouvement nanométriques complexes en 2D et 3D dans le nanomètre à résolution Ångström, selon divers biomoléculaire des stimuli2,3,6. En joignant les matériaux fonctionnels sur ces structures et en contrôlant leurs positions, ces structures peuvent être appliquées à différents domaines. Par exemple, ADN nanomachines ont été proposés pour un réacteur moléculaire7et drogue livraison8nanoplasmonic systèmes9,10.
Auparavant, nous avons introduit le reconfigurable rack accordéon de l’ADN, qui peut manipuler un réseau échelle nanométrique 2D ou 3D des éléments11 (Figure 1 a). Contrairement aux autres ADN nanomachines qui contrôlent seulement quelques éléments, la plate-forme manipulables collectivement périodiquement déployèrent des éléments 2D ou 3D en différentes étapes. Nous prévoyons qu’un réseau programmable de réaction chimique et biologique ou un système informatique moléculaire peut être construit de notre système, en augmentant le nombre d’éléments contrôlables. La grille accordéon de l’ADN est une structure, dans laquelle le réseau de faisceaux multiples de l’ADN est connecté aux articulations composées d’ADN simple brin (Figure 1 b). La grille accordéon générée par les faisceaux de l’ADN est reconfigurée par les écluses de l’ADN, qui s’hybrident pour la partie collante de poutres et de changent l’angle entre les poutres selon la longueur de la partie pontage des écluses (état verrouillé). En outre, plusieurs étape reconfiguration est démontrée en ajoutant de nouvelles écluses après la formation de l’État libre en détachant les serrures d’ADN à brin axée sur le pied déplacement12,13.
Dans ce protocole, nous décrivons le processus complet de conception et synthèse du rack accordéon ADN reconfigurable. Le protocole inclut la conception, la simulation, wet-lab expériences et analyse pour la synthèse de la grille accordéon de l’ADN de 6 par 6 mailles et une reconfiguration de ces. La structure visée par le protocole est le modèle de base de la précédente recherche11 et 65 nm de 65 nm de taille, composé de 14 poutres. En ce qui concerne la conception et la simulation, la conception structurale de la grille accordéon diffère de classiques ADN origami14,15 (c.-à-d., serrés). Par conséquent, la règle de la conception et la simulation moléculaire ont été modifiés aux méthodes traditionnelles. Pour illustrer, nous montrer la technique de la conception à l’aide de la méthode modifiée de caDNAno14 et la simulation de la grille accordéon à l’aide d’oxDNA16,17 avec des scripts supplémentaires. Enfin, les deux protocoles de TEM et de FRET pour l’analyse des structures de support accordéon configuré sont décrits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole présente l’ensemble du processus de conception, simulation, synthèse et analyse de la base grille accordéon 2D de l’ADN. La conception modifiée et règles de simulation ont été décrites parce que la règle de conception diffère de celle de l’origami d’ADN standard, dans lequel la grille accordéon ADN a des nucléotides supplémentaires sur les filtres pour flexibilité14,15. Sur cette base, nous prévoyons que le protocole peut accé…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été partiellement financée par le programme mondial de centre de développement de recherche par le biais de la Fondation des recherches National de Korea(NRF) financé par le ministère de la Science et les TIC (MSIT) (2015K1A4A3047345) et les Nano· Programme de développement des technologies matérielles grâce à la Fondation de la recherche nationale de Corée (NRF) financé par le ministère de la Science et de la TIC (MSIT) (2012M3A7A9671610). L’Institut du génie à l’Université nationale de Séoul a fourni les installations de recherche pour ce travail. Auteurs reconnaissent la gratitude envers Yoon Tae-Young (Sciences biologiques, Université nationale de Séoul) au sujet de la spectroscopie de fluorescence pour l’analyse de la frette.
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 |
Referências
- 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).
