עיצוב, סינתזה של ארון אקורדיון דנ א Reconfigurable
Summary
אנו מתארים פרוטוקול מפורט עבור עיצוב, הדמיה, רטוב-מעבדת ניסויים וניתוח עבור מתלה reconfigurable של אקורדיון הדנ א של 6 על ידי 6 רשתות.
Abstract
במערכות מבוססות-ננו-מבנה ה-DNA מכני או ננו משינס הדנ א, אשר מייצרים תנועה הננומטרי מורכבות ב- 2D and 3D ננומטר לרזולוציה ångström, הראה פוטנציאל גדול בתחומים שונים של ננו-טכנולוגיה כגון הכורים מולקולרית, משלוח סמים, ומערכות nanoplasmonic. Reconfigurable DNA אקורדיון המדף, אשר באופן קולקטיבי שבאפשרותך לתפעל רשת הננומטרי 2D או 3D של אלמנטים, בשלבים מרובים בתגובה הקלט דנ א, מתואר. פלטפורמת יש פוטנציאל להגדיל את מספר רכיבים ננו משינס DNA ניתן לשלוט של מספר רכיבים כדי מידה רשת בשלבים רבים של שינוי תצורה.
ב פרוטוקול זה, אנו מתארים את התהליך ניסיוני של reconfigurable ה-DNA אקורדיון ארון התקשורת של 6 על ידי 6 רשתות שינוי. הפרוטוקול כולל עיצוב כלל וסימולציות הליך של המבנים ושל ניסוי רטוב-lab סינתזה, שינוי תצורה. בנוסף, ניתוח המבנה באמצעות TEM (במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים) וקשת/קשתית (העברת אנרגיה של קרינה פלואורסצנטית תהודה) נכלל בפרוטוקול. שיטות הדמיה ועיצוב חדשניים מכוסה פרוטוקול זה יסייע לחוקרים להשתמש המדף אקורדיון DNA עבור יישומים נוספים.
Introduction
מערכות מכאניות המבוסס על ה-DNA nanostructures או DNA ננו משינס1,2,3,4,5 הם ייחודיים משום שהם מייצרים תנועה הננומטרי מורכבות ב- 2D and 3D ננומטר ל רזולוציה ångström, על-פי3,2,גירויים למערכות ביולוגיות שונות6. על ידי הצמדת חומרי פונקציונלי על מבנים אלה ושליטה על עמדותיהם, מבנים אלה ניתן ליישם בתחומים שונים. לדוגמה, ה-DNA ננו משינס הוצעו עבור הכור מולקולרית7, משלוח סמים8ו-9,מערכות nanoplasmonic10.
בעבר, הצגנו reconfigurable DNA אקורדיון המדף, אשר יכול לתפעל רשת הננומטרי 2D או 3D של אלמנטים11 (איור 1 א’). שלא כמו אחרים ננו משינס DNA רק לשלוט כמה אלמנטים, פלטפורמת יכולים באופן קולקטיבי לתמרן אלמנטים 2D או 3D מעת לעת ערוכים לשלבים שונים. אנו צופים כי רשת תגובה כימית וביולוגית לתכנות או מערכת מחשוב מולקולרי יכול להיבנות מהמערכת שלנו, על ידי הגדלת מספר הרכיבים לשליטה. המתלה אקורדיון הדנ א הוא מבנה, שבו הרשת של קורות DNA מרובים מחובר המפרקים המורכב חד גדילי הדנ א (איור 1B). המתלה אקורדיון שנוצר על ידי הקורות דנ א למנוחת מאת המנעולים הדנ א, אשר hybridize לחלק דביק של קורות, לשנות את הזווית בין הקורות על פי אורך החלק גישור של המנעולים (מצב סגור). בנוסף, שינוי תצורה צעד מרובת מומחש הוספת מנעולים חדשים לאחר היווצרות המדינה בחינם על ידי ניתוק DNA מנעולים עד12,הזחה סטרנד מבוססי מקום אחיזה לרגל13.
ב פרוטוקול זה, אנו מתארים את התהליך כולו של סינתזה ועיצוב של ארון התקשורת אקורדיון דנ א reconfigurable. הפרוטוקול כולל עיצוב, הדמיה, רטוב-מעבדת ניסויים וניתוח לסינתזה של המדף אקורדיון הדנ א של 6 על ידי 6 רשתות שינוי, שינוי של תצורה אלה. המבנה מכוסה הפרוטוקול הוא הדגם הבסיסי של ה מחקר קודמות11 והוא 65 ננומטר על ידי 65 ננומטר בגודלם, בהיקף של 14 קורות. מבחינת עיצוב, הדמיה, העיצוב מבנית של המדף אקורדיון שונה קונבנציונאלי DNA אוריגמי14,15 (קרי, בצפיפות). לכן, כלל עיצוב, הדמיה מולקולרית שונו שיטות מסורתיות. כדי להדגים, אנו מראים את טכניקת עיצוב באמצעות הגישה ששונה caDNAno14 והסימולציה של המדף אקורדיון באמצעות16,oxDNA17 עם תסריטים נוספים. לבסוף, מתוארים שני הפרוטוקולים של TEM, סריג לצורך ניתוח של מבנים מתלה אקורדיון שתצורתו נקבעה.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מציג את כל התהליך של עיצוב, הדמיה, סינתזה, וניתוח של בסיסי 2D DNA אקורדיון ארון התקשורת. עיצוב ששונה והכללים סימולציה תוארו כי החוק עיצוב שונה מזו של אוריגמי DNA רגיל, בכך המדף אקורדיון DNA יש נוקלאוטידים נוספים ג’יי ג’יי אברהמס גמישות14,15. מכאן, אנו מצפי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן בחלקו על-ידי התוכנית מרכז פיתוח מחקר הכללית דרך נבחרת מחקר קרן של Korea(NRF) ממומן על ידי משרד המדע, ICT (MSIT) (2015K1A4A3047345) Nano· פיתוח חומרים טכנולוגיה תוכנית דרך לאומי מחקר קרן של קוריאה (ב- NRF) ממומן על ידי משרד המדע ICT (MSIT) (2012M3A7A9671610). המכון למחקר הנדסי-אונ’ סאול מסופקים מכוני מחקר לעבודה זו. מחברים להכיר תודתי לכיוון יון טה-יאנג (מדעי הביולוגיה, אונ’ סאול) בנוגע ספקטרוסקופיה זריחה על הניתוח סריג.
Materials
| M13mp18 Single-stranded DNA | NEB | N4040s | |
| 1M MgCl2 Solution | Biosesang | M2001 | |
| Tris-EDTA buffer | Biosesang | T2142 | |
| Nuclease-Free Water | Qiagen | 129114 | |
| 5M Sodium Chloride solution | Biosesang | s2007 | |
| PEG 8000 | Sigma Aldrich | 1546605 | |
| 10N NaOH | Biosesang | S2038 | |
| Uranyl formate | Thomas Science | C993L42 | |
| Thermal cycler C1000 | Biorad | ||
| Nanodropic 2000 | Thermo Fisher Scientific | ||
| TEM (LIBRA 120) | Carl Zeiss | ||
| Fluorometer Enspire 2300 | Perkin-Elmer | ||
| Centrifuge | Labogene | LZ-1580 |
References
- Andersen, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).
- Cha, T. -. G., et al. Design principles of DNA enzyme based walkers: Translocation kinetics and photo-regulation. Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9429-9437 (2015).
- Gerling, T., Wagenbauer, K. F., Neuner, A. M., Dietz, H. Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non-base pairing 3D components. Science. 347 (6229), 1446-1452 (2015).
- Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature nanotechnology. 6 (12), 763-772 (2011).
- Li, J., et al. Exploring the speed limit of toehold exchange with a cartwheeling DNA acrobat. Nature Nanotechnology. 1, (2018).
- Krishnan, Y., Simmel, F. C. Nucleic acid based molecular devices. Angewandte Chemie International Edition. 50 (14), 3124-3156 (2011).
- Liu, M., et al. A DNA tweezer-actuated enzyme nanoreactor. Nature communications. 4, 2127 (2013).
- Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science. 335 (6070), 831-834 (2012).
- Kuzyk, A., et al. Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules. Nature Materials. 13 (9), 862-866 (2014).
- Zhou, C., Duan, X., Liu, N. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami. Nature communications. 6, 8102 (2015).
- Choi, Y., Choi, H., Lee, A. C., Lee, H., Kwon, S. A Reconfigurable DNA Accordion Rack. Angewandte Chemie International Edition. 57 (11), 2811-2815 (2018).
- Chen, H., et al. Understanding the Mechanical Properties of DNA Origami Tiles and Controlling the Kinetics of their Folding and Unfolding Reconfiguration. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6995-7005 (2014).
- Han, D., Pal, S., Liu, Y., Yan, H. Folding and cutting DNA into reconfigurable topological nanostructures. Nature Nanotechnology. 5 (10), 712-717 (2010).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37 (15), 5001-5006 (2009).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature methods. 8 (3), 221-229 (2011).
- Ouldridge, T. E., Louis, A. A., Doye, J. P. K. DNA Nanotweezers Studied with a Coarse-Grained Model of DNA. Physical Review Letters. 104 (17), 178101 (2010).
- Snodin, B. E. K., et al. Direct Simulation of the Self-Assembly of a Small DNA Origami. ACS Nano. 10 (2), 1724-1737 (2016).
- Amir, Y., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. Folding and Characterization of a Bio-responsive Robot from DNA Origami. Journal of Visualized Experiments. (106), e51272 (2015).
- Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions. Angewandte Chemie International Edition. 53 (47), 12735-12740 (2014).
- Wei, B., Vhudzijena, M. K., Robaszewski, J., Yin, P. Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles. Journal of Visualized Experiments. (99), e52486 (2015).
- Clegg, R. M. Fluorescence resonance energy transfer and nucleic acids. Methods in enzymology. 211, 353-388 (1992).
- Kopperger, E., et al. A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science. 359 (6373), 296-301 (2018).
- Lauback, S., et al. Real-time magnetic actuation of DNA nanodevices via modular integration with stiff micro-levers. Nature Communications. 9 (1), 1446 (2018).
