Selvbygging av komplekse Todimensjonale figurer 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 selvmonteringsarbeid ^1-25 har ført til en vellykket bygging av en rekke komplekse strukturer, inkludert DNA ^{2 – 5,8,10 – 13,17,23} eller RNA ^7,22 periodisk ^{3,4,7, 22} og algoritmisk ⁵ todimensjonale innhegninger, bånd ^10,12 og rør ^4,12,13, 3D krystaller ^17, polyedre ¹¹ og endelig, former 2D ^7,8. En spesielt effektiv fremgangsmåte er stillaset DNA origami, hvorved en enkelt stillas tråd brettes av mange korte hjelpe stift strengene for å danne et kompleks form ^{9,14 – 16,18 – 21,25.}

Vi har nylig rapportert en metode for å konstruere diskrete nanostrukturer med fastsatte 2D figurer ved hjelp av enkelt-strandet fliser (SST), og demonstrerte strukturer med kompleksitet sammenlignes med DNA origami ^26. Dette article er en tilpasning av vår tidligere arbeidet ²⁶ og beskriver detaljert protokoller for å arrangere individuelt adresser SSTS til sofistikerte endelig 2D figurer med nettopp foreskrevet dimensjoner (bredder og lengder) og morfologi. En viktig fordel med SST metoden er dens modularitet. Hver komponent SST av en struktur fungerer som en modulær konstruksjon enhet i forsamlingen, og ulike undergrupper av disse SSTS produsere forskjellige former. Dermed etablerte vi en generell plattform for å bygge nanostrukturer med foreskrevet størrelser og former fra korte, syntetiske DNA-trådene.

SSTS inneholde fire domener, hver 10 eller 11 nukleotider lang (Figur 1a). De SSTS binde slik at deres parallelle spiraler lage en DNA gitter holdt sammen av crossover bindinger. Hver crossover er fosfat mellom domenene 2 og 3. fosfat strekkes kunstig i diagrammene for visuell klarhet. Crossovers er plassert to skrueviklinger (21 baser) fra hverandre (<strong> Figur 1B). De sammensatte rektangler er referert til ved sine dimensjoner i antall helikser og skrueviklinger. For eksempel, et rektangel som er seks heliksene bred og åtte skrueviklinger lenge er referert til som en 6 H x 8T rektangel. SSTS kan bli tatt ut, lagt til, eller på annen måte omdisponeres til å skape strukturer av vilkårlige former og størrelser (figur 1C). For eksempel kan en rektangulær utforming bli rullet til et rør med en ønsket lengde og radius (figur 1D).

Alternativt kan den rektangulære SST gitteret bli sett på som en molekylær lerret består av SST piksler, hver 3 nm med 7 nm. I denne studien bruker vi en molekylær lerret av 310 helaftens interne SSTS, 24 helaftens SSTS gjøre opp venstre og høyre grenser, og 28 halv lengde SSTS danner de øvre og nedre grenser. Lerretet har 24 dobbeltrom helikser koblet av crossovers og hver helix inneholder 28 skrueviklinger (294 baser) og omtales derfor somen 24H × 28T rektangulær lerret. 24H × 28T lerretet har en molekylvekt lik som en DNA origami struktur opprettet fra en M13-fag stillaset.

Protocol

1. DNA Sequence Design Bruk UNIQUIMER programvare 27 for å designe et SST-endelig struktur ved å spesifisere antallet toseters helikser, lengder på topp og bunn helix for hver dobbeltspiralen, og crossover mønster for å skape en 24H × 28T lerret. Etter å ha definert disse parametre, blir den samlede arkitektur (tråd sammensetning og komplementaritet arrangement) vist grafisk i programmet. Generere sekvenser for trådene i den angitte strukturen for å møte komplementaritet arrang…

Representative Results

Den selvbygging av SSTS (figur 1) vil gi et 24H x 28T rektangel, som illustrert i figur 2. DNA-sekvenser for de ulike SSTS kan modifiseres / optimalisert for å muliggjøre merking streptavidin (figur 3 og 4), transformasjon av en rektangel til et rør (figur 5), den programmerbare selvbygging av SSTS å danne rør og rektangler av varierende størrelse (figur 10), og konstruksjonen av 2D vilkårlige former ved hjelp av…

Discussion

I strukturen dannelsestrinnet, er det viktig å holde en passende konsentrasjon av magnesium-kationer (f.eks., 15 mM) i DNA-tråden blandingen til selv montere DNA nanostrukturer. Tilsvarende, i agarosegelen karakteriser / rensetrinnet, er det viktig å holde en passende konsentrasjon magnesium kation (f.eks., 10 mM) i gelen og gelen rennende buffer for å opprettholde DNA-nanostrukturer under elektroforese. For 24H x 28T rektangel struktur, testet vi gløding i forskjellige konsentrasjoner, og Mg <sup…

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