Tek iplikli DNA Fayans Complex iki boyutlu şekiller Self-montaj
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 – – Önceki nükleik asit öz-montaj çalışmaları 1-25 DNA 2 olmak üzere kompleks yapıların, çeşitli başarılı inşaat yol açmıştır 13,17,23 veya RNA 7,22 periyodik 3,4,7, 22 ve algoritmik 5 iki boyutlu kafesler, kurdeleler 10,12 ve tüpler 4,12,13 3D kristaller 17 polyhedra 11 ve sonlu, 2D 7,8 şekillendirir. 16,18 – – 21,25 tek bir iskele şerit karmaşık bir şekle 9,14 oluşturulması için bir çok kısa yardımcı ştapel lifleri ile katlanır ve böylece özellikle etkili bir yöntem olup, bir DNA origami Desteksiz edilir.
Son zamanlarda, tek kollu bir kiremit (SST) kullanılarak önceden belirlenmiş 2B şekilleri ile ayrı ayrı nano yapımı için bir yöntem bildirilmiştir ve DNA origami 26 ile karşılaştırılabilir karmaşıklığı ile yapılar göstermişlerdir. Bu üre bizim daha önceki çalışma 26 bir uyarlama ve hassas reçete boyutları (genişlik ve uzunluklarda) ve morfolojileri ile sofistike sonlu 2B şekiller halinde ayrı ayrı adreslenebilir SSTs düzenlenmesi için protokoller detaylı anlatılmaktadır. SST yöntemin bir önemli avantaj modülerlik olduğunu. Bir yapının her bileşeni SST montaj modüler inşaat birim olarak hizmet vermektedir ve bu SSTs farklı alt grupları farklı şekiller üretirler. Böylece, kısa, sentetik DNA ipliklerini gelen öngörülen boyutları ve şekilleri ile nano inşa etmek genel bir platform kurdu.
SSTs dört alan, her biri 10 ya da 11 nükleotid uzunluğunda (Şekil 1A) içerir. SSTs kendi paralel heliks çapraz bağlantıları tarafından bir arada tutulan bir DNA kafes oluşturacak şekilde, bağlanır. Her geçiş etki 2 ve 3 fosfat Görsel netlik için diyagramlar yapay gerilir arasındaki fosfat olduğunu. geçitler (<arayla iki helezoni sarımlardan (21 baz) aralıklıstrong> Şekil 1B). Kompozit dikdörtgenler helisler ve helisel dönüş sayısını kendi boyutlarına göre adlandırılır. Örneğin, bir dikdörtgen altı helisleri genişliğinde ve sekiz sarmal 8T dikdörtgen × bir 6H olarak başvurulan uzun döner. SSTs, sol dışarı ekledi, veya başka keyfi şekil ve büyüklükte (Şekil 1C) yapılarını oluşturmak için yeniden düzenlenebilir. Örneğin, bir dikdörtgen tasarım arzu edilen bir uzunluğu ve yarıçapına (Şekil 1D) sahip bir tüp içine haddelenebilir.
Alternatif olarak, dikdörtgen SST kafes SST piksel oluşan bir molekül tuval, 7 nm her 3 nm olarak görülebilir. Bu çalışmada, 310 tam uzunlukta, iç SSTs bir molekül tuval kullanarak, Sol ve sağ sınırları oluşturan 24 tam uzunlukta SSTs, ve üst ve alt sınırları oluşturan 28 yarım uzunlukta SSTs. Tuval geçitler ile bağlantılı 24 çift helis vardır ve her bir sarmal 28 helezoni sarımlardan (294 baz) içerir ve bu nedenle olarak adlandırılır28T dikdörtgen tuval × 24H. 28T tuval x 24H, bir M13 faj iskele oluşturulan bir DNA origami yapısının benzer bir molekül ağırlığına sahiptir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yapı oluşumu aşamasında, kendi kendine bir araya DNA nano-DNA şerit karışımı içinde (örn., 15 mM), magnezyum katyonları, uygun bir konsantrasyonunu korumak için önemlidir. Benzer şekilde, agaroz jel karakterizasyonu / saflaştırma aşamasında, uygun bir katyon, magnezyum konsantrasyonunu korumak için önemlidir (örneğin., 10 mM) ile jel elektroforez sırasında DNA nano korumak için jel çalıştıran tamponda. 28T dikdörtgen yapıda x 24H sağlamak için, farklı bir Mg ++</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Naval Research Genç Araştırmacı Programı Ödülü N000141110914, Naval Research Grant N000141010827 Dairesi, NSF KARİYER Ödülü CCF1054898, NIH Müdürü Yenilikçisi Ödülü 1DP2OD007292 Ofisi ve (PY için) Biyolojik ilham Mühendislik Fakültesi Başlangıç Fonu için bir Wyss Enstitüsü tarafından finanse edildi ve Tsinghua-Pekin (BW) Yaşam Bilimleri Başlangıç Fonu Merkezi.
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).
