Auto-assemblaggio di forme complesse bidimensionali da Campagna DNA a singolo filamento

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

Acido nucleico precedente lavoro autoassemblaggio ^1-25 ha portato alla costruzione di successo di una varietà di strutture complesse, compreso il DNA ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} o RNA ^{7,22 3,4,7 periodica, 22} e algoritmico ⁵ bidimensionali reticoli, nastri ^10,12 e tubi ^4,12,13, cristalli 3D ^17, poliedri ¹¹ e finite, 2D forme ^7,8. Un metodo particolarmente efficace è ponteggi origami di DNA, per cui un singolo filo impalcatura viene piegato da molti corti filamenti ausiliari fiocco per formare una forma complessa ^{9,14 – 16,18 – 21,25.}

Recentemente abbiamo segnalato un metodo per costruire nanostrutture discreti con forme 2D prescritte con piastrelle a singolo filamento (SST), e dimostrato strutture con complessità paragonabile a origami di DNA ^26. Questo article è un adattamento del nostro lavoro precedente ²⁶ e descrive in dettaglio i protocolli per l'organizzazione di SST indirizzabili individualmente in sofisticate forme 2D finiti con dimensioni prescritte con precisione (larghezze e lunghezze) e morfologie. Uno dei principali vantaggi del metodo SST è la sua modularità. Ogni SST componente di una struttura serve come unità di costruzione modulare nell'assemblaggio, e diversi sottoinsiemi di questi SST produrre forme distinte. Così, abbiamo stabilito una piattaforma generale per costruire nanostrutture con dimensioni e forme prescritte dalla corte, filamenti di DNA sintetico.

SST contengono quattro domini, ciascuno lungo 10 o 11 nucleotidi (Figura 1A). Le SST legano in modo tale che le loro eliche parallele creano un reticolo di DNA tenuti insieme da legami incrociati. Ogni crossover è fosfato tra i domini 2 e 3. Il fosfato è allungato artificialmente nei diagrammi per chiarezza visiva. I crossover sono distanziati due spire elicoidali (21 basi) a parte (<strong> Figura 1B). I rettangoli compositi sono indicati con le dimensioni del numero di eliche e spire elicoidali. Ad esempio, un rettangolo che è di sei eliche e otto elicoidale gira lungo viene fatto riferimento come 6H × 8T rettangolo. SST può essere lasciato fuori, ha aggiunto, o comunque riorganizzate per creare strutture di forme arbitrarie e dimensioni (Figura 1C). Per esempio, un disegno rettangolare può essere arrotolato in un tubo con una lunghezza e raggio desiderato (Figura 1D).

In alternativa, il SST reticolo rettangolare può essere visto come una tela molecolare costituito da SST pixel, ogni 3 nm da 7 nm. In questo studio, usiamo una tela molecolare di 310 full-length SST interne, 24 SST full-length che costituiscono i confini sinistro e destro, e 28 SST a mezzo busto che costituiscono le delimitazioni superiore e inferiore. La tela ha 24 doppie eliche legate da crossover e ogni elica contiene 28 spire elicoidali (294 basi) ed è quindi indicato comeuna 24H × 28T rettangolare tela. Il 24H × 28T tela ha un peso molecolare simile a quella di una struttura origami di DNA ricavato da un fago M13 ponteggio.

Protocol

1. DNA Sequenza di design Utilizzare software UNIQUIMER 27 per progettare una struttura SST-finite specificando il numero di doppie eliche, lunghezze di elica superiore e inferiore per ciascuna doppia elica, e il modello di crossover per creare un 24H × 28T tela. Dopo aver definito questi parametri, l'architettura complessiva (composizione filamento e la disposizione complementarità) è illustrato graficamente nel programma. Generare sequenze per i fili della struttura indicata per …

Representative Results

L'auto-assemblaggio di SST (Figura 1) produrrà un 24H × 28T rettangolo, come illustrato in figura 2. Sequenze di DNA per i diversi SST possono essere modificati / ottimizzata per abilitare l'etichettatura streptavidina (Figura 3 e 4), la trasformazione di un rettangolo in un tubo (figura 5), programmabile autoassemblaggio di SST per formare tubi e rettangoli di diverse dimensioni (Figura 10), e la costruzione …

Discussion

Nella fase formazione della struttura, è importante mantenere un'adeguata concentrazione di cationi magnesio (ad es., 15 mm) nella miscela filamento di DNA di nanostrutture di DNA di auto-assemblaggio. Analogamente, nella fase di caratterizzazione gel di agarosio / purificazione, è importante mantenere un adeguato concentrazione di cationi di magnesio (ad es., 10 mM) nel gel e il buffer gel running mantenere le nanostrutture di DNA durante l'elettroforesi. Per la 24H × struttura 28T rettango…

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