التجميع الذاتي من الأشكال ثنائية الأبعاد المعقدة من البلاط DNA المفرد الذين تقطعت بهم السبل
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
وقد أدى السابق الحمض النووي أعمال التجميع الذاتي 25/01 لبناء الناجح لمجموعة متنوعة من الهياكل المعقدة، بما في ذلك DNA 2 – 5،8،10 – 13،17،23 أو RNA 7،22 3،4،7 الدوري، 22 وحسابي 5 ثنائية الأبعاد الشبكات، وأشرطة 10،12 وأنابيب 4،12،13، 3D بلورات 17، 11 المجسمات الثلاثية الأبعاد ومحدود، 2D الأشكال 7،8. وscaffolded وهناك طريقة فعالة بشكل خاص اوريغامي DNA، حيث يتم طي حبلا سقالة واحد من قبل العديد من خيوط قصيرة التيلة المساعدة لتشكيل شكل معقد 9،14 – 16،18 – 21،25.
بلغنا مؤخرا طريقة لبناء النانو منفصلة مع الأشكال 2D المقررة باستخدام البلاط واحدة الذين تقطعت بهم السبل (SST)، وأظهرت هياكل مع تعقيد مماثل لاوريغامي DNA 26. هذا articlه هو التكيف عملنا سابق 26 ويصف بروتوكولات مفصلة لترتيب درجات حرارة سطح البحر عنونة بشكل فردي في الأشكال 2D محدودة متطورة ذات أبعاد المنصوص عليها تحديدا (الاعراض وأطوال) والأشكال التضاريسية. واحد الميزة الرئيسية للطريقة طائرة أسرع من الصوت هي نمطية. كل طائرة أسرع من الصوت المكون من هيكل بمثابة وحدة بناء وحدات في التجمع، ومجموعات فرعية مختلفة من هذه درجات حرارة سطح البحر تنتج أشكال مختلفة. وهكذا، أنشأنا منصة العامة لبناء النانو مع الأحجام والأشكال المنصوص عليها من قصيرة، جدائل الحمض النووي الاصطناعية.
درجات حرارة سطح البحر تحتوي على أربعة مجالات، كل 10 أو 11 النيوكليوتيدات طويلة (الشكل 1A). في درجات حرارة سطح البحر ربط بحيث اللوالب بهم موازية خلق شعرية DNA عقدت معا عن طريق روابط كروس. كل كروس هو الفوسفات بين المجالات 2 و 3. يتم شد الفوسفات بشكل مصطنع في الرسوم البيانية لالوضوح البصري. متباعدة عمليات الانتقال لفتين حلزونية (21 قواعد) وبصرف النظر (<قوي> الشكل 1B). ويشار إلى مستطيلات المركبة من قبل أبعادها في عدد من اللوالب والمنعطفات حلزونية. على سبيل المثال، المستطيل الذي هو ستة اللوالب واسعة وثمانية حلزونية يتحول المشار إليها بوصفها 6H × 8T مستطيل طويل. درجات حرارة سطح البحر يمكن استبعاده، وأضاف، أو إعادة ترتيبها على خلاف ذلك لإنشاء هياكل من الأشكال والأحجام (الشكل 1C) التعسفية. على سبيل المثال، تصميم مستطيل ويمكن إرجاع في أنبوب بطول المطلوب ونصف قطرها (1D الشكل).
بدلا من ذلك، يمكن أن ينظر إلى طائرة أسرع من الصوت شعرية مستطيلة كما قماش الجزيئي تتكون من طائرة أسرع من الصوت بكسل، كل 3 نانومتر بنسبة 7 نانومتر. في هذه الدراسة، ونحن نستخدم قماش الجزيئي 310 بالطول درجات حرارة سطح البحر الداخلية، 24 درجات حرارة سطح البحر بالطول التي تشكل الحدود اليمنى واليسرى، و 28 درجات حرارة سطح البحر نصف طول تشكيل حدود العلوية والسفلية. قماش من 24 اللوالب مزدوجة مرتبطة من قبل عمليات الانتقال وكل الحلزون يحتوي على 28 المنعطفات حلزونية (294 قواعد) وبالتالي يشار إليها باسمو24H × 28T مستطيل قماش. و24H × 28T قماش له وزن جزيئي مماثلة لتلك التي من بنية اوريغامي الحمض النووي التي تم إنشاؤها من فج سقالة M13.
Protocol
Representative Results
Discussion
في خطوة تشكيل هيكل، فمن المهم للحفاظ على التركيز المناسب من الكاتيونات المغنيسيوم (على سبيل المثال، 15 ملم) في خليط حبلا الحمض النووي DNA لالنانو تجميع ذاتي. وبالمثل، في خطوة توصيف الجل الاغاروز / تنقية، فمن المهم للحفاظ على تركيز الأيونات الموجبة المغنيسيوم المنا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من قبل مكتب برنامج باحث بحوث البحرية يونغ جائزة N000141110914، مكتب بحوث البحرية غرانت N000141010827، NSF التوظيف جائزة CCF1054898، مبتكر جديد جائزة 1DP2OD007292 مدير معاهد الصحة القومية ومعهد ويس لوحي بيولوجيا صندوق بدء التشغيل كلية الهندسة (لPY) و مركز صندوق بدء التشغيل علوم الحياة ل(لBW) تسينغهوا-بكين.
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 |
References
- Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J. Theor. Biol. 99 (2), 237-247 (1982).
- Fu, T. J., Seeman, N. C. DNA double-crossover molecules. Biochemistry. 32 (13), 3211-3220 (1993).
- Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L. A., Seeman, N. C. Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals. Nature. 394 (6693), 539-544 (1998).
- Yan, H., Park, S. H., Finkelstein, G., Reif, J. H., LaBean, T. H. DNA-templated self-assembly of protein arrays and highly conductive nanowires. Science. 301 (5641), 1882-1884 (2003).
- Rothemund, P. W. K., Papadakis, N., Winfree, E. Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles. PLoS Biol. 2 (12), e424 (2004).
- Shih, W., Quispe, J., Joyce, G. A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron. Nature. 427 (6975), 618-621 (2004).
- Chworos, A., et al. Building programmable jigsaw puzzles with RNA. Science. 306 (5704), 2068-2072 (2004).
- Park, S. H., et al. Finite-size, fully-addressable DNA tile lattices formed by hierarchical assembly procedures. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (5), 735-739 (2006).
- Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
- Schulman, R., Winfree, E. Synthesis of crystals with a programmable kinetic barrier to nucleation. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 104 (39), 15236-15241 (2007).
- He, Y., et al. Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra. Nature. 452 (7184), 198-201 (2008).
- Yin, P., et al. Programming DNA tube circumferences. Science. 321 (5890), 824-826 (2008).
- Sharma, J., et al. Control of self-assembly of DNA tubules through integration of gold nanoparticles. Science. 323 (5910), 112-116 (2009).
- Douglas, S. M., Dietz, H., Liedl, T., Högberg, B., Graf, F., Shih, W. M. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
- Andersen, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).
- Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
- Zheng, J. P., et al. From molecular to macroscopic via the rational design of self-assembled 3D. DNA crystal. Nature. 461 (7260), 74-77 (2009).
- Han, D., et al. DNA origami with complex curvatures in three-dimensional space. Science. 332 (6024), 342-346 (2011).
- Liu, W., Zhong, H., Wang, R., Seeman, N. C. Crystalline two-dimensional DNA origami arrays. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (1), 264-267 (2011).
- Zhao, Z., Liu, Y., Yan, H. Organizing DNA origami tiles into larger structures using preformed scaffold frames. Nano Lett. 11 (7), 2997-3002 (2011).
- Woo, S., Rothemund, P. Programmable molecular recognition based on the geometry of DNA nanostructures. Nat. Chem. 3 (8), 620-627 (2011).
- Delebecque, C. J., Lindner, A. B., Silver, P. A., Aldaye, F. A. Organization of intracellular reactions with rationally designed RNA assemblies. Science. 333 (6041), 470-474 (2011).
- Lin, C., Liu, Y., Rinker, S., Yan, H. DNA tile based self-assembly: building complex nanoarchitectures. ChemPhysChem. 7 (8), 1641-1647 (2006).
- Seeman, N. C. Nanomaterials based on DNA. Annu. Rev. Biochem. 79 (1), 65-87 (2010).
- Voigt, N. V., Nangreave, J., Yan, H., Gothelf, K. V. DNA origami: a quantum leap for self-assembly of complex structures. Chem. Soc. Rev. 40 (12), 5636-5646 (2011).
- Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex Shapes self-assembled from single stranded DNA tiles. Nature. 485 (7400), 623-626 (2012).
- Wei, B., Wang, Z., Mi, Y. Uniquimer: software of de novo DNA sequence generation for DNA self-assembly: an introduction and the related applications in DNA self-assembly. J. Comput. Theor. Nanosci. 4 (1), 133-141 (2007).
- Seeman, N. C. De novo design of sequences for nucleic acid structural engineering. J. Biomol. Struct. Dyn. 8 (3), 573-581 (1990).
- Hansma, H. G., Laney, D. E. DNA binding to mica correlates with cationic radius: assay by atomic force microscopy. Biophys. J. 70 (4), 1933-1939 (1996).
- Seelig, G., Soloveichik, D., Zhang, D. Y., Winfree, E. Enzyme-free nucleic acid logic circuits. Science. 314 (5805), 1585-1588 (2006).
- Yin, P., Choi, H. M. T., Calvert, C. R., Pierce, N. A. Programming biomolecular self-assembly pathways. Nature. 451 (7176), 318-322 (2008).
