단일 가닥 DNA 타일에서 단지 두 차원 모양의 자기 조립 (self-assembly)
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
5,8,10 – – 이전 핵산 자기 조립 작업 1-25는 DNA의 2를 포함하여 복잡한 구조의 다양한의 성공적인 건설을 주도하고있다 13,17,23 또는 RNA 7,22주기 3,4,7, (22)와 알고리즘 5 개의 차원 격자, 리본 (10, 12) 및 튜브 4,12,13, 3D 크리스탈 (17), 다면체 (11)과 유한은, 2D는 7,8 모양. 16, 18 – – 21, 25 하나의 발판 가닥이 복잡한 형상 9,14를 형성하기 위해 많은 짧은 보조 스테이플 가닥으로 접어된다 특히 효과적인 방법은 DNA 종이 접기를 스캐 폴딩된다.
최근 우리는 단일 가닥 타일 (SST)를 사용하여 소정 형상으로 2D 이산 나노 구조체를 구성하기위한 방법을보고하고, DNA 접기 (26)에 필적하는 복잡성과 구조를 보여 주었다. 이 articl전자는 우리의 초기 작업 (26)의 적응하고 정확하게 규정 된 크기 (폭과 길이) 및 형태학 정교한 유한 2D 형태로 개별적으로 어드레스 해수면 온도를 배치하기위한 프로토콜을 자세히 설명합니다. SST 방법의 하나의 중요한 장점은 모듈 방식입니다. 구조물의 각 성분은 SST 어셈블리 모듈 공법 유닛으로서 기능하고,이 해수면 온도의 상이한 서브 세트들은 별개의 형상을 생성한다. 따라서, 우리는 짧은, 합성 DNA 가닥에서 규정 된 크기와 모양을 가진 나노 구조를 구성하는 일반적인 플랫폼을 설립했다.
해수면 온도는 네 가지 영역, 각 10 또는 11 뉴클레오티드 (그림 1A)를 포함한다. 해수면 온도는 병렬 나선이 교차 결합에 의해 함께 개최하는 DNA 격자를 생성하도록 결합한다. 각각의 크로스 오버 영역 (2) 및 (3) 인산 시각적 명확성을 위해 도면에 인위적으로 연신 사이 포스페이트이다. 크로스 오버는 <(떨어져 두 개의 나선형 회전 (21 기지)를 이격되어있다강한> 그림 1b). 복합 직사각형은 나선 및 코일 권수 그들의 치수로 지칭된다. 예를 들어, 직사각형 여섯 나선 넓고 여덟 헬리컬는 8T 구형 × 6H로서 참조되는 긴 변있다. 해수면 온도가 탈락 추가하거나 임의의 형상 및 크기 (도 1C)의 구조를 만들 재 배열 될 수있다. 예를 들면, 직사각형의 설계는 원하는 길이 및 반경 (도 1D)와 튜브로 압연 될 수있다.
또한, 직사각형 SST 격자는 SST 픽셀로 구성된 분자 캔버스, 7 내지하여 각 3 나노 미터로 볼 수 있습니다. 본 연구에서 우리는 (310)는 전체 길이 내부 해수면 온도의 분자 캔버스를 사용하여, 좌우의 경계를 구성하는 24 전장 해수면 온도, 및 상부 및 하부 경계를 형성하는 28 반장 해수면 온도. 캔버스 크로스 오버로 연결된 24 번 나선을 가지고 있으며, 각각의 나선 (28) 나선형 회전 (294 기지)를 포함하므로이라고28T 직사각형 캔버스 × 24H. 28T 캔버스 × 24H는 M13 파지 지지체에서 만든 DNA 접기 구조와 유사한 분자량을 갖는다.
Protocol
Representative Results
Discussion
구조 형성 공정에서, 자기 조립 DNA 나노 구조에 DNA 가닥 혼합물 (예., 15 mM)을 마그네슘 양이온의 적절한 농도를 유지하는 것이 중요하다. 유사하게, 아가로 오스 겔 특성화 / 정제 단계에서, 그것은 적절한 마그네슘 양이온 농도를 유지하는 것이 중요하다 (예., 10 mM)을 겔 전기 영동시 DNA 나노 구조를 유지하기 위해 겔 주행 버퍼. 28T 사각형 구조 × 24H를 들어, 우리는 다른 마그네슘 …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 해군 연구소 젊은 탐정 프로그램 상 N000141110914, 해군 연구비 N000141010827의 사무실, NSF 경력 상 CCF1054898, NIH 감독의 새로운 혁신 상 1DP2OD007292의 오피스와 (PY에) 생물학적 영감 공학 학부 시작 기금 위스 연구소에 의해 투자되었다 칭화 – 베이징 (BW에) 생명 과학의 시작 기금 센터.
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 |
Referências
- 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. Bioquímica. 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).
