עצמי הרכבה של צורות דו-ממדיות מורכבות מחד-גדילי דנ"א אריחים
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
עבודת הרכבה עצמית קודמת חומצות גרעין 1-25 הובילה לבנייה המוצלחת של מגוון רחב של מבנים מורכבים, לרבות DNA 2 – 5,8,10 – 13,17,23 או RNA 7,22 3,4,7 תקופתי, 22 ו -5 דו ממדים אלגוריתמיים חסימה, סרטים 10,12 וצינורות 4,12,13, גבישי 3D 17, פאונים 11 וסופיים, 2D מעצב 7,8. שיטה יעילה במיוחד היא מלווה בתמיכת אוריגמי DNA, לפיה גדיל פיגום אחת מקופל על ידי רב גדילי מצרך עזר קצרים ליצירת צורה מורכבת 9,14 – 16,18 – 21,25.
לאחרונה דיווחו שיטה לבניית ננו הדיסקרטי עם צורות 2D נקבעו באמצעות אריחים חד-גדילים (SST), והפגינו מבנים עם מורכבות דומה לאוריגמי DNA 26. articl זהדואר הוא עיבוד של העבודה הקודמת שלנו 26 ומתאר מפורט פרוטוקולים להסדרת טמפרטורת פני הים מיעון בנפרד לצורות 2D סופיות מתוחכמות עם ממדים שנקבעו בדיוק (רוחב ואורך) ומורפולוגיות. יתרון מרכזי אחד של שיטת SST הוא המודולריות שלה. כל SST המרכיב של מבנה משמש כיחידת בנייה מודולרית בהרכבה, וקבוצות משנה שונות של טמפרטורת פני הים אלה לייצר צורות שונות. כך, הקמנו פלטפורמה כללית לבניית ננו עם גדלים וצורות שנקבעו מגדילי דנ"א קצרים, סינטטיים.
טמפרטורת פני הים מכילים ארבעה תחומים, כל אחת (איור 1 א) באורך 10 או 11 נוקלאוטידים. טמפרטורת פני הים להיקשר כך שהסלילים המקבילים שלהם ליצור סריג DNA מוחזק ביחד על ידי קשרים מוצלבים. כל מוצלב הוא פוספט בין תחומים 2 ו -3 פוספט נמתח באופן מלאכותי בתרשימים לבהירות חזותית. הצלבות מרווחים שני סיבובי סליל (21 בסיסים) מזה (<1B strong> איור). המלבנים מרוכבים מכונים על ידי ממדיהם במספר הסלילים וסיבובי סליל. לדוגמא, מלבן שרוחבו שישה סלילים ושמונה סליל הופך ארוך הפניה כ6H × מלבן 8T. ניתן להשאיר את טמפרטורת פני ים החוצה, הוסיפו, או מחדש בדרך אחרת כדי ליצור מבנים של צורות וגדלים (איור 1 ג) שרירותיות. לדוגמא, עיצוב מלבני ניתן התגלגל לתוך צינור באורך רצוי ורדיוס (1D איור).
לחלופין, סריג SST המלבני ניתן לראות כבד מולקולרי המורכב מפיקסלים SST, כל ננומטר 3 על ידי 7 ננומטר. במחקר זה, אנו משתמשים בבד מולקולרי של 310 טמפרטורת פני הים פנימית באורך מלא, 24 טמפרטורת פני הים באורך מלא המרכיבות את גבולות ימין ועל השמאל, וטמפרטורת פני ים 28 חצי אורך להרכיב את הגבולות העליונים ותחתונים. יש הבד 24 סלילים כפולים מקושרים על ידי הצלבות וכל סליל מכיל 28 סיבובי סליל (294 בסיסים), ולכן הוא מכונה24H × בד מלבני 28T. 24H × בד 28T יש משקל מולקולרי דומה לזה של מבנה אוריגמי DNA שנוצר מפיגום הפאג M13.
Protocol
Representative Results
Discussion
בשלב היווצרות מבנה, חשוב לשמור על ריכוז מתאים של קטיונים מגנזיום (למשל., 15 מ"מ) בתערובת גדיל DNA לDNA ננו העצמי להרכיב. כמו כן, בשלב אפיון agarose ג'ל / טיהור, חשוב לשמור על ריכוז קטיון מגנזיום מתאים (למשל., 10 מ"מ) בג'ל וחיץ ריצת ג'ל לשמור DNA ננו במהלך אלקטרופור…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי משרד הצי צעיר מחקר תכנית פרס חוקר N000141110914, משרד המחקר של צי גרנט N000141010827, NSF פרס קריירת CCF1054898, פרס ממציא ניו 1DP2OD007292 של מנהל ה- NIH ומכון Wyss לפקולטה להנדסת הפעלת קרן בהשראה ביולוגית (לPY) ו צינג-פקינג מרכז למדעי חיים הפעלת קרן (לBW).
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).
