Самоорганизация сложных двумерных фигур из одноцепочечной ДНК Плитка
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
Предыдущая нуклеиновой кислоты самосборка работа 1-25 привел к успешному строительству различных сложных структур, в том числе ДНК 2 – 5,8,10 – 13,17,23 или РНК 7,22 периодическая 3,4,7, 22 и алгоритмическое 5 двумерные решетки, ленты и трубки 10,12 4,12,13, 3D кристаллы 17, 11 и многогранники конечными, 2D форм 7,8. Особенно эффективный метод ДНК-оригами scaffolded, в результате чего один эшафот нить сложена многими коротких вспомогательных цепей основных сформировать сложную форму 9,14 – 16,18 – 21,25.
Мы недавно сообщили, способ построения дискретных наноструктур с заданными 2D форм с использованием одноцепочечной плитки (SST), и продемонстрировал структуры со сложностью, сравнимой с ДНК-оригами 26. Это статьи обе адаптация нашей более ранней работе 26 и подробно описывает протоколы для организации индивидуально адресуемых SSTs в сложных конечных 2D форм с четко заданных размеров (длины и ширины) и морфологии. Одним из ключевых преимуществ метода SST является ее модульность. Каждый компонент ССТ структуры служит модульный блок строительства в сборке, а также различные подмножества этих ТПМ производить различные формы. Таким образом, мы установили общую платформу для построения наноструктур с заданными размерами и формами из коротких, синтетических нитей ДНК.
ТПМ содержит четыре области, каждая длиной 10 или 11 нуклеотидов (рис 1а). В ТПМ связать таким образом, что их параллельные спирали создать решетку ДНК удерживаемых вместе кроссовера связей. Каждый кроссовер фосфата между доменами 2 и 3. Фосфат растягивается искусственно на схемах для наглядности. Кроссоверы расположены два спиральных витков (21 баз) друг от друга (<сильный> 1В). Композитные прямоугольники называются по своим размерам в количестве спиралей и спиральных витков. Например, прямоугольник, что шесть спиралей в ширину и восемь витков спирали длиной ссылаются как 6H × 8Т прямоугольника. ТПМ могут быть опущены, добавляться или иначе переставить, чтобы создать структуры произвольных форм и размеров (рис 1в). Например, прямоугольная конструкция может быть свернута в трубку с нужной длины и радиуса (рис 1D).
В качестве альтернативы, прямоугольная ССТ решетки можно рассматривать как молекулярный холста из SST пикселей, каждый 3 нм 7 нм. В этом исследовании мы используем молекулярную полотно 310 полнометражных внутренних ТПМ, 24 ТПМ полнометражные составляющие левой и правой границы, и 28 половинной длины ТПМ, образующие верхние и нижние границы. Холст имеет 24 двойных спиралей ДНК, связанные с кроссоверов, и каждый спираль содержит 28 витков спирали (294 оснований) и, следовательно, называют24H × 28T прямоугольной холсте. 24H × 28T холсте имеет молекулярную массу, аналогичную из ДНК-оригами структуры, созданной из фага М13 эшафот.
Protocol
Representative Results
Discussion
На стадии формирования структуры, важно поддерживать соответствующую концентрацию катионов магния (например., 15 мМ) в цепи ДНК смеси самосборке ДНК-наноструктур. Аналогичным образом, на стадии агарозном геле характеристика / очистки, важно, чтобы соответствующее концентрацию кат?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась Управлением военно-морских исследований молодого исследователя Program Award N000141110914, Управления военно-морских исследований Гранта N000141010827, NSF КАРЬЕРА Award CCF1054898, NIH директора премии Нью-Новатор 1DP2OD007292 и Висс института Биологически Вдохновленный инженерного факультета Startup фонда (в PY) и Центр наук о жизни Startup фонда (в BW) Цинхуа-пекински.
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).
