Utforme en Bio-responsive Robot fra DNA Origami
Summary
DNA origami er en kraftig metode for fabrikasjon presise nanoskala gjenstander ved å programmere selv-montering av DNA-molekyler. Her beskriver vi hvordan DNA origami kan brukes til å designe en robot robot som kan registrere biologiske signaler og reagere etter form skiftende, senere videresendt til en ønsket effekt.
Abstract
Nukleinsyrer er utrolig allsidig. I tillegg til deres naturlig rolle som lagringsmedium for biologisk informasjon en, kan de anvendes i parallell databehandling 2,3, gjenkjenne og binde cellulære eller molekylære mål 4,5, katalysere kjemiske reaksjoner 6,7 og generere beregnede responser i en biologisk system 8,9. Viktigere, kan nukleinsyrer være programmert til å selv montere inn 2D-og 3D-strukturer 10-12, muliggjør integrasjon av alle disse bemerkelsesverdige funksjonene i en enkelt robot knytter sensing av biologiske signaler til en forhåndsinnstilt respons for å utøve en ønsket effekt.
Lage figurer fra nukleinsyrer ble først foreslått av Seeman 13, og flere varianter på dette temaet har siden blitt realisert ved hjelp av ulike teknikker 11,12,14,15. Imidlertid er den viktigste kanskje den som foreslås av Rothemund, kalt scaffolded DNA origami16. I denne teknikken blir bretting av en lang (> 7000 baser) enkelt-trådet DNA "stillas 'ledet til en ønsket form av hundrevis av korte komplementære tråder betegnet' stifter '. Folding utføres ved temperatur Annealing rampen. Denne teknikken ble demonstrert i etableringen av et variert utvalg av 2D-figurer med bemerkelsesverdig presisjon og robusthet. DNA origami ble senere utvidet til 3D i tillegg 17,18.
Dagens papir vil fokusere på caDNAno 2.0-programvaren 19 utviklet av Douglas og kolleger. caDNAno er en robust, brukervennlig DAK-verktøyet muliggjør utformingen av 2D og 3D DNA origami figurer med allsidige funksjoner. Designprosessen er avhengig av en systematisk og nøyaktig abstraksjon ordning for DNA strukturer, noe som gjør det relativt enkelt og effektivt.
I denne artikkelen viser vi utformingen av en DNA origami nanorobot som nylig er beskrevet 20. Denne roboten er "robot" i den forstand at den kobler sensing til aktivering, for å utføre en oppgave. Vi forklarer hvordan ulike sensing ordninger kan integreres i strukturen, og hvordan dette kan bli videresendt til en ønsket effekt. Til slutt bruker vi Cando 21 for å simulere de mekaniske egenskapene til designet form. Konseptet vi diskutere kan tilpasses flere oppgaver og innstillinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
DNA origami gjør oss i stand til å dikte nøyaktig definerte objekter med vilkårlige funksjoner på nanonivå. Et viktig neste trinn vil være å integrere funksjon i disse utførelser. Mens mange programmer og utfordringer kan løses med denne teknologien, er det en særlig interesse i å fabrikkere terapeutiske og vitenskapelig roboter fra DNA origami, da disse representerer en naturlig miljø av DNA. DNA grensesnitt allerede med molekylære maskiner i celler som en genetisk informasjon lagringsmedium. Interessant,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke S. Douglas for ekstremt verdifulle diskusjoner og råd, og alle medlemmer av Bachelet lab for nyttige diskusjoner og arbeid. Dette arbeidet er støttet med tilskudd fra Fakultet for biovitenskap og Institutt for nanoteknologi og avanserte materialer på Bar-Ilan University.
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 |
References
- 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).
