للطي وتوصيف روبوت الحيوية استجابة من الحمض النووي اوريغامي
Summary
DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here we describe a protocol for the folding of a bio-responsive robot from DNA origami, its purification and negative staining for transmission electron microscopic imaging (TEM).
Abstract
وnanorobot DNA هو جهاز النانومترية سداسية جوفاء، تهدف إلى فتح استجابة للمؤثرات معينة والبضائع الحالية المحتبسة داخل. كل من المحفزات والبضائع يمكن تكييفها وفقا لاحتياجات محددة. نحن هنا تصف البروتوكول تلفيق nanorobot DNA، مع استخدام تقنية اوريغامي DNA. يبدأ الإجراء عن طريق خلط المواد الغذائية قصيرة DNA واحدة حبلا في خليط الأوراق المالية التي يتم بعد ذلك تضاف إلى طويلة، دائرية، سقالة DNA واحدة حبلا في وجود منطقة عازلة للطي. وتمت برمجة A الحرارية cycler على معيار لخفض تدريجيا درجة حرارة التفاعل خلط لتسهيل الصلب المواد الغذائية إلى سقالة، وهي هي القوة المحركة للطي من nanorobot. مرة واحدة في رد فعل للطي 60 ساعة كاملة، يتم تجاهل المواد الغذائية الزائدة باستخدام فلتر الطرد المركزي، تليها التصور عبر الاغاروز هلام الكهربائي (AGE). وأخيرا، يتم التحقق منها تلفيق الناجح لnanorobot بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM)،مع استخدام اليورانيل-فورمات كما صمة عار سلبية.
Introduction
استخدامات للأحماض النووي تكنولوجيا النانو هي مذهلة. وقابلية الإستطراق قاعدة الاقتران واتسون-كريك فضلا عن سهولة والنسبية منخفضة التكلفة لتجميع واسعة النطاق من oligos حسب الطلب 2 قد ولدت انفجار التطبيقات 3 والبحوث في مجال تكنولوجيا النانو DNA. تكنولوجيا النانو DNA الهيكلي، على أساس متحرك سيمان 4،5 تقاطع باعتبارها اللبنة الأساسية يجعل من استخدام DNA كوحدة الابتدائية الذاتي تجميع لبناء الأشكال التعسفية 6-8.
التطورات الأخيرة في الحمض النووي scaffolded اوريغامي 9 الأسلوب يسمح لبناء مجمع 2D / 3D النانو أبنية 10-12 بدقة نانومتر الفرعي وهي كفاءة الطريق لبناء الأجسام وظيفية جديدة مع زيادة تعقيد وتنوع مذهل. وتستند عملية البناء بناء على الحمض النووي الذين تقطعت بهم السبل واحد سقالة طويلة، والمستمدة عادة من genom الفيروسيه، والتي يمكن أن تكون مطوية من خلال التهجين مئات احدة oligos DNA حبلا قصيرة تسمى المواد الغذائية. القرار الهيكلي عالية التي حصلت عليها هذه التقنية هو نتيجة مباشرة للأبعاد الطبيعية من الحلزون المزدوج DNA، في حين أن استنساخ تلفيق هو نتيجة الخياطة وقصيرة التيلة تسلسل واحد حبلا لتسهيل أقصى الهيدروجين الرابطة التكامل للتحقيق. مع استخدام درجة حرارة الصلب بطيئة المنحدر المصممة أدنى مستوى الطاقة، الديناميكا الحرارية يتم التوصل البنية النانوية يفضل في عوائد عالية والإخلاص. تمكين سهل التنفيذ من قواعد التصميم تقاطع في مدونة كمبيوتر تطوير أدوات CAD، مثل caDNAno 13، التي تبسط غاية مهمة تصميم الهياكل الكبيرة والمعقدة التي تحتوي على مئات من تقاطعات متصل.
سابقا وصفنا تصميم nanorobot DNA مع المعونة من أداة 14،15 caDNAno. نحن هنا تصوير وتلفيقالتصور، من خلال المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) من nanorobot، وهو nanodevice سداسية جوفاء 3D، مع أبعاد 35 × 35 × 50 نانومتر 3، مصممة للخضوع لتغيير متعلق بتكوين كبير في استجابة لمؤثرات محددة سلفا والبضائع المحددة الحالية، مثل كما البروتينات أو oligos الحمض النووي، المحتبسة داخل. في حين أن 12 محطة التحميل المتاحة داخل الهيكل جوفاء، العدد الفعلي للبضائع المربوطة يختلف مع حجم البضائع. وتتراوح جزيئات البضائع من جزيئات DNA صغيرة لالانزيمات، والأجسام المضادة و10/05 جزيئات الذهب نانومتر. Cargocan إما أن تكون موحدة أو متجانسة، مثل أن كل nanorobot يحتوي على خليط من جزيئات مختلفة. ويتحقق الاستشعار عن طريق اثنين المزدوج حلزونية تصميم بوابات تأمين على الشعور البروتينات والأحماض النووية أو المواد الكيميائية الأخرى، استنادا إما على aptasensor 16،17 أو حبلا DNA تشريد 18 التكنولوجيات. تمكن التطورات الأخيرة في aptamer بروتوكولات اختيار 19-21 تصميم روبوتات النانو الاستجابةإلى مجموعة متزايدة من جزيئات وأنواع الخلايا.
وأظهر العمل في وقت سابق من nanorobot يحمل الأجسام المضادة المحددة، التي تقوم عليها ملزمة لمستضد لها القيام بترحيل إما المثبطة أو إشارة غزير إلى داخل أنواع معينة من الخلايا في خلية السكان مختلطة 15. ميزة مثيرة من هذه الأجهزة النانوية هي قدرتها على أداء المزيد من المهام المعقدة والتحكم المنطقي مع إدخال الأنواع الفرعية nanorobot مختلفة في عدد السكان واحد. مؤخرا أثبتنا فرعية محددة من روبوتات النانو أداء إما المنظمين إيجابية أو سلبية، والسيطرة على السكان المستجيب تحتوي على جزيء البضائع نشط 22.
بروتوكول المعروضة هنا يصف تصنيع وتنقية والتصوير من nanorobot مسور مع تسلسل استشعار aptamer التي تربط بشكل انتقائي لPDGF لتسهيل افتتاح nanorobot 15،22. عملية تلفيق وصف مشابه لنعملية تصنيع anorobot يصور في البداية من قبل دوغلاس وآخرون. 15 مع التغييرات تهدف إلى الحد من مدة العملية الشاملة، مع زيادة معدلات العائد وتنقيتها.
Protocol
Representative Results
Discussion
وصفنا تلفيق، وتنقية، والتصور للnanorobot DNA. وبعد تصنيع هيكل السيارة سداسية للجهاز، وتمت برمجة وظيفة nanorobot مع مقدمة بسيطة من البضائع محددة وخيوط الاستشعار للروبوت التي تجد بسهولة موقفهم المعينة بسبب الهيدروجين الرابطة التكامل مع مواقع لرسو السفن المتاحة منفردة الجديلة …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر S. دوغلاس لإجراء مناقشات قيمة للغاية والمشورة، وجميع أعضاء المختبر باشيليت لإجراء مناقشات مفيدة والعمل. ويؤيد هذا العمل من المنح المقدمة من كلية علوم الحياة ومعهد تقنية النانو والمواد المتقدمة في جامعة بار إيلان.
Materials
| DNase/RNase free distilled water | Gibco | 10977 |
| M13mp18 ssDNA scaffold | NEB | N4040S |
| 10x TAE | Gibco | 15558-042 |
| 1 M MgCl2 | Ambion | AM9530G |
| Amicon Ultra 0.5 mL centrifugal filter 100K MWCO | Amicon | UFC510024 |
| Agarose | Promega | V3125 |
| TBE buffer | Promega | V4251 |
| Ethidium bromide 10mg/ml solution | Sigma Aldrich | E1510 |
| 1 kb DNA marker | NEB | N3232S |
| Loading Dye | NEB | B7021S |
| uranyl formate | polysciences | 24762 |
| carbon-coated TEM grids | Science services | EFCF400-Cu-50 |
| Thermal Cycler c1000 Touch | Bio-Rad | |
| Glow Discharge K100X | Emitech | |
| UV table Gel Doc EZ Imager | Bio-Rad | |
| NanoDrop 2000c | Thermo Scientific | |
| TEM FEI-G12 | Tecnai |
References
- Watson, J. D., Crick, F. H. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964-967 (1953).
- Kosuri, S., Church, G. M. Large-Scale de novo. DNA synthesis: technologies and applications. Nature Meth. 11 (5), 499-507 (2014).
- Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature Nanotech. 6 (12), 763-772 (2011).
- Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J Theor Biol. 99 (2), 237-247 (1982).
- Chen, J. H., Seeman, N. C. Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube. Nature. 350 (6319), 631-633 (1991).
- Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles. Nature. 485 (7400), 623-626 (2012).
- He, Y., et al. Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra. Nature. 452 (7184), 198-201 (2008).
- Yin, P., Hariadi, R. F., Sahu, S., Choi, H. M. T., Park, S. H., Labean, T. H., Reif, J. H. Programming DNA tube circumferences. Science. 321 (5890), 824-826 (2008).
- Rothemund, P. W. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
- Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
- Douglas, S. M., et al. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
- Zhang, F., Nangreave, J., Liu, Y., Yan, H. Structural DNA nanotechnology: state of the art and future perspective. J Am Chem Soc. 136 (32), 11198-11211 (2014).
- Douglas, S. M., et al. Prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37 (15), 5001-5006 (2009).
- Ben-Ishay, E., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. Designing a bio-responsive robot from DNA origami. J Vis Exp. (77), e50268 (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).
- Tan, W., Donovan, M. J., Jiang, J. Aptamers from cell-based selection for bioanalytical applications. Chem Rev. 113 (4), 2842-2862 (2013).
- Xiang, D., et al. Nucleic Acid Aptamer-Guided Cancer Therapeutics and Diagnostics: The Next Generation of Cancer Medicine. Theranostics. 5 (1), 23-42 (2015).
- Zhang, D. Y., Seelig, G. Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions. Nat Chem. 3 (2), 103-113 (2011).
- Tang, Z., Parekh, P., Turner, P., Moyer, R. W., Tan, W. Generating aptamers for recognition of virus-infected cells. Clin Chem. 55 (4), 813-822 (2009).
- Sefah, K., Shangguan, D., Xiong, X., O’Donoghue, M. B., Tan, W. Development of DNA aptamers using Cell-SELEX. Nature Prot. 5 (6), 1169-1185 (2010).
- McKeague, M., DeRosa, M. C. Challenges and Opportunities for Small Molecule Aptamer Development. J Nucleic Acids. 2012, (2012).
- Amir, Y., et al. Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nature Nanotech. 9 (5), 353-357 (2014).
- Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Meth. 8 (3), 221-229 (2011).
- Sobczak, J. P., Martin, T. G., Gerling, T., Dietz, H. Rapid folding of DNA into nanoscale shapes at constant temperature. Science. 338 (6113), 1458-1461 (2012).
- Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and scalable preparation of pure and dense DNA origami solutions. Angew Chem Int Ed Engl. 53 (47), 12735-12740 (2014).
- Lin, C., Perrault, S. D., Kwak, M., Graf, F., Shih, W. M. Purification of DNA-origami nanostructures by rate-zonal centrifugation. Nucleic Acids Res. 41 (2), (2012).
- Bai, X. C., Martin, T. G., Scheres, S. H., Dietz, H. Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (49), 20012-20017 (2012).
