Self-samling af komplekse Todimensionale Former fra Single DNA Fliser

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

Forrige nukleinsyre saml-selv arbejde ^1-25 har ført til en vellykket opførelse af en bred vifte af komplekse strukturer, herunder DNA ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} eller RNA ^7,22 periodiske ^{3,4,7, 22} og algoritmisk ⁵ todimensionale gitre, bånd ^10,12 og slanger ^4,12,13, 3D krystaller ^17, polyedre ¹¹ og finite, 2D former ^7,8. En særlig effektiv metode afstivet DNA origami, hvorved en enkelt stillads streng foldes ved mange korte hjælpestoffer korte strenge til dannelse af et kompleks form ^{9,14 – 16,18 – 21,25.}

Vi har for nylig rapporteret en metode til konstruktion af diskrete nanostrukturer med foreskrevne 2D figurer ved hjælp af enkelt-strengede fliser (SST), og demonstrerede strukturer med kompleksitet kan sammenlignes med DNA origami ^26. Denne article er en tilpasning af vores tidligere arbejde ²⁶ og beskriver detaljeret protokoller til at arrangere individuelt adresserbare SSTS i sofistikerede finite 2D figurer med præcist foreskrevne dimensioner (bredder og længder) og morfologier. En vigtig fordel ved SST metoden er dens modulopbygning. Hver komponent SST af en struktur fungerer som en modulopbygget enhed i forsamlingen, og forskellige delgrupper i disse SSTS producerer forskellige former. Således har vi etableret en generel platform til at konstruere nanostrukturer med foreskrevne størrelser og former fra korte, syntetiske DNA-strenge.

SSTS indeholder fire domæner, der hver 10 eller 11 nukleotider lang (figur 1A). De SSTS binder således, at deres parallelle helixer skabe en DNA gitter holdes sammen af ​​crossover-bindinger. Hver crossover er phosphatet mellem domænerne 2 og 3. phosphat strækkes kunstigt i diagrammerne for visuel klarhed. De delefiltre er fordelt to spiralformede drejninger (21 baser) fra hinanden (<strong> Figur 1B). De sammensatte rektangler er ved deres dimensioner, der er nævnt i antallet af spiraler og spiralformede sving. For eksempel, at et rektangel er seks helices bred og otte spiralformede vender længe er opført som et 6H × 8T rektangel. SSTS kan udelades, tilføjede, eller på anden måde omarrangeret til at skabe strukturer af vilkårlige former og størrelser (figur 1C). For eksempel kan et rektangulært design rulles til et rør med en ønsket længde og radius (figur 1D).

Alternativt kan den rektangulære SST gitter ses som en molekylær lærred består af SST pixels, hver 3 nm med 7 nm. I denne undersøgelse, bruger vi en molekylær lærred af 310 fuld længde interne SSTS, 24 fuld længde SSTS udgør de venstre og højre grænser, og 28 halvlange SSTS danner de øverste og nederste grænser. Lærredet har 24 dobbeltspiraler forbundet af delefiltre, og hver helix indeholder 28 spiralformede drejninger (294 baser) og er derfor omtalt som24 timer i × 28T rektangulære lærred. Den 24H × 28T lærred har en molekylvægt svarende til den af ​​en DNA origami struktur skabt ud fra en M13-fag stillads.

Protocol

1. DNA Sequence Design Brug UNIQUIMER software 27 at designe en SST-finite struktur ved at angive antallet af dobbeltspiraler, længder af top og bund helix for hver dobbelt helix, og crossover mønster for at skabe en 24H × 28T lærred. Når du har defineret disse parametre, er den overordnede arkitektur (streng komposition og komplementariteten aftale) illustreret grafisk i programmet. Generere sekvenser for de strenge af den angivne struktur for at opfylde komplementaritet arrangement…

Representative Results

Den selvsamling af SSTS (figur 1) vil give en 24H × 28T rektangel, som illustreret i figur 2. DNA-sekvenser for de forskellige SSTS kan modificeres / optimeret til at muliggøre streptavidin mærkning (figur 3 og 4), omdannelsen af en rektangel til et rør (figur 5), den programmerbare selvsamling af SSTS til dannelse rør og rektangler af varierende størrelser (figur 10), og opførelsen af 2D vilkårlige former ved h…

Discussion

I strukturen dannelse trin, er det vigtigt at holde en passende koncentration af magnesium kationer (f.eks., 15 mM) i DNA-strengen blanding selvstændige samle DNA nanostrukturer. Ligeledes i agarosegelen karakterisering / oprensningstrin, er det vigtigt at holde en passende magnesium kation koncentration (f.eks., 10 mM) i gelen og gelen kørende buffer til at opretholde de DNA nanostrukturer under elektroforese. For 24H × 28T rektangel struktur, testede vi annealing i forskellige Mg ⁺⁺ kon…

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