Design og syntese av en rekonfigurerbare DNA trekkspill Rack
Summary
Vi beskriver detaljert protokollen for design, simulering, våt-lab eksperimenter og analyse for en rekonfigurerbare DNA trekkspill rack med 6 av 6 masker.
Abstract
DNA nanostructure-baserte mekaniske systemer eller DNA nanomachines, som produsere komplekse nanoskala bevegelse i 2D og 3D i nanometer ångström oppløsning, viser stort potensial i ulike nanoteknologi som de molekylære reaktorene, narkotika-leveranser, og nanoplasmonic systemer. Det rekonfigurerbare DNA trekkspill racket, som kan kollektivt manipulere et 2D eller 3D nanoskala nettverk av elementer i flere etapper svar på DNA innganger, er beskrevet. Plattformen har potensial til å øke antall elementer som DNA nanomachines kan styre fra noen elementer til en nettverk skala med flere etapper for konfigurering.
I denne protokollen beskriver vi hele eksperimentelle prosessen med rekonfigurerbare DNA trekkspill rack med 6 av 6 masker. Protokollen inneholder en design regelen og simulering prosedyre av strukturer og en våt-lab eksperiment for syntese og konfigurering. I tillegg er analyse av strukturen TEM (overføring elektronmikroskop) og bånd (fluorescens resonans energioverføring) inkludert i protokollen. De nye design og simulering metodene dekket i denne protokollen vil assistere forskere bruke DNA trekkspill stativet for videre søknader.
Introduction
Mekaniske systemer basert på DNA nanostrukturer eller DNA nanomachines1,2,3,4,5 er unike fordi de produserer komplekse nanoskala bevegelse i 2D og 3D i nanometer til Ångström oppløsning, ifølge ulike biomolecular stimuli2,3,6. Feste funksjonelle materialer på disse strukturene og kontrollere sine posisjoner, kan disse strukturene brukes til ulike områder. For eksempel er DNA nanomachines foreslått for molekylær reaktoren7, stoffet levering8og nanoplasmonic systemer9,10.
Tidligere har innført vi det rekonfigurerbare DNA trekkspill racket, som kan manipulere et 2D eller 3D nanoskala nettverk av elementer11 (figur 1A). I motsetning til andre DNA nanomachines som kontrollerer bare noen elementer, kan plattformen kollektivt manipulere regelmessig plassert 2D eller 3D-elementer i ulike stadier. Vi forventer at en programmerbar kjemiske og biologiske reaksjon nettverk eller en molekylær datasystem kan bygges fra våre system, ved å øke antall kontrollerbar elementer. DNA trekkspill stativet er en struktur som nettverk av flere DNA bjelker er koblet til leddene består av enkelt-strandet DNA (figur 1B). Trekkspill stativet generert av DNA bjelker konfigureres av DNA-låser, som hybridize til klissete del av bjelker og endre vinkelen mellom bjelker ifølge den bygge bro delen av låser (låst). I tillegg er flere trinn rekonfigurering demonstrert ved å legge til nye låser etter dannelsen av free state ved frakobling DNA låser gjennom toehold-baserte strand forskyvning12,13.
I denne protokollen beskriver vi hele design og syntese prosessen med rekonfigurerbare DNA trekkspill stativet. Protokollen inneholder design, simulering, våt-lab eksperimenter og analyse for syntese av DNA trekkspill rack med 6 av 6 masker og en ny konfigurering av disse. Strukturen i protokollen er grunnmodellen til den tidligere forskning11 og er 65 nm ved 65 nm i størrelse, bestående av 14 bjelker. Når det gjelder design og simulering er den strukturelle utformingen av trekkspill stativet forskjellig fra konvensjonelle DNA origami14,15 (dvs. tett pakket). Derfor er design regelen og molekylære simulering endret fra tradisjonelle metoder. For å demonstrere, viser vi design teknikken bruker den endrede tilnærmingen caDNAno14 og simulering av trekkspill stativet oxDNA16,17 med skript. Til slutt, begge protokollene TEM og bånd for analyse av konfigurerte trekkspill rack strukturer er beskrevet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen lanserer hele prosessen fra design, simulering, syntese og analyse av grunnleggende 2D DNA trekkspill stativet. Modifisert design og simulering regler har blitt beskrevet fordi design regelen er forskjellig fra standard DNA origami, i at DNA trekkspill stativet har flere nukleotider på overganger for fleksibilitet14,15. Fra dette forventer vi at protokollen kan akselerere ulike undersøkelser med DNA trekkspill stativer. I tillegg kan beskrives…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble delvis støttet av Global Development Center forskningsprogrammet gjennom National Research Foundation av Korea(NRF) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (MSIT) (2015K1A4A3047345) og Nano· Materielle Technology Development Program gjennom National Research Foundation av Korea (NRF) finansiert av departementet for vitenskap og IKT (MSIT) (2012M3A7A9671610). Institute of Engineering Research ved Seoul National University gitt forskningsanlegg for dette arbeidet. Forfatterne bekrefter takknemlighet mot Tae-unge Yoon (biologi, Seoul National University) om fluorescens spektroskopi for bånd analyse.
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).
