JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

الجمعية نانورودس الذهب في ميتاموليكوليس Plasmonic مراوان باستخدام قوالب أوريغامي الحمض النووي

Published: March 05, 2019
doi:
10.3791/59280
, ,
1Department of Neuroscience and Biomedical Engineering,Aalto University School of Science, Aalto FI-00076, 2Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City (HCMC) University of Technology,Vietnam National University – Ho Chi Minh City (VNU-HCM), Ho Chi Minh City 700000

Summary

ونحن تصف البروتوكول مفصلاً للجمعية المستندة إلى أوريغامي الحمض النووي من الذهب nanorods في مراوان ميتاموليكوليس plasmonic مع الردود تشيروبتيكال قوية. البروتوكول لا يقتصر على تكوينات مراوان ويمكن تكييفها بسهولة لتلفيق أبنية plasmonic مختلف.

Abstract

Addressability الملازمة لهياكل أوريغامي الحمض النووي يجعلها قوالب مثالية لترتيب الجسيمات النانوية المعدنية إلى النانو plasmonic المعقدة. عالية الدقة المكانية جمعية templated أوريغامي الحمض النووي يتيح السيطرة على اقتران بين الأصداء plasmonic من الجزيئات الفردية، ويمكن للخياطة الخصائص البصرية للنانو شيدت. في الآونة الأخيرة، نظم plasmonic مراوان جذبت الكثير من الاهتمام نظراً للترابط القوى بين التكوين المكاني للتجميعات plasmonic وردودهم الضوئية (مثلاً، التعميم تلوانيه [مؤتمر نزع السلاح]). في هذا البروتوكول، يصف لنا سير العمل كله لجيل جمعيات مراوان المستندة إلى أوريغامي الحمض النووي من الذهب نانورودس (أونرس). البروتوكول يتضمن وصفاً مفصلاً لمبادئ التصميم والإجراءات التجريبية لتصنيع قوالب أوريغامي الحمض النووي وتوليف أونرس وجمعية هياكل أوريغامي–أونر. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تضمين وصف هياكل باستخدام مجهر إلكتروني (TEM)، والتحليل الطيفي CD. لا يقتصر على تكوينات مراوان البروتوكول وصف ويمكن تكييفها لتشييد أبنية plasmonic مختلف.

Introduction

الحمض النووي النانو، أوريغامي الحمض النووي على وجه الخصوص، قد استخدمت على نطاق واسع لترتيب الجزيئات ومكونات نانوية أخرى (مثل البروتينات وجسيمات نانوية [NPs])، مع الدقة نانومتر في هندستها التعسفي تقريبا1،2 , 3 , 4 , 5-يتيح القدرة على ترتيب NPs المعادن في قوالب أوريغامي الحمض النووي مع عالية الغلة ودقة تصنيع هياكل plasmonic مع الخصائص البصرية رواية6،،من78، 9 , 10-أسلوب أوريغامي الحمض النووي مفيدة بشكل خاص لجيل هياكل plasmonic مراوان، التي تتطلب أبنية ثلاثية الأبعاد حقيقية11،،من1213، 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.

ويصف هذا البروتوكول بالتفصيل العملية برمتها من تلفيق جمعيات أونرس مراوان templated أوريغامي الحمض النووي. البرامج المستخدمة ل تصميم21 وهيكل التنبؤ22،23 أوريغامي الحمض النووي متاح بحرية وبديهية. أوريغامي التلفيق والتوليف أونر استخدام معدات مختبر الكيمياء الحيوية المشتركة (مثلاً، ثيرموسيكليرس، استشراد هلام، لوحات ساخنة، أجهزة الطرد المركزي). وتتميز الهياكل باستخدام التحليل الطيفي تيم وقرص مضغوط قياسي.

تصنيع النانو plasmonic مماثلة مع أساليب من أعلى إلى أسفل (مثل الإلكترون شعاع الطباعة الحجرية) تتطلب معدات معقدة ومكلفة بدلاً من ذلك. وبالإضافة إلى ذلك، توفر قوالب أوريغامي الحمض النووي إمكانية إدراج reconfigurability الهيكلية في تجميعات plasmonic24،،من2526،،من2728،29 ،30،31،،من3233، التي صعبة للغاية لهياكل ملفقة مع تقنيات الطباعة الحجرية. مقارنة بغيرها النهج المستندة إلى الجزيئية34،35،،من3637، التصنيع على أساس أوريغامي الحمض النووي توفر مستوى عال من الدقة المكانية وبرمجة.

Protocol

1-تصميم أوريغامي الحمض النووي تحديد ترتيب أونرس المكانية النسبية المطلوبة وشكل مناسبة للقالب أوريغامي الحمض النووي (الشكل 1أ). تقدير المعلمات الهيكلية أونرس وقوالب أوريغامي. تحديد مواقف التقريبي للمواد الغذائية الأساسية التي تحتاج إلى مزيد من التعديل (الشكل 1ب). تنزيل وتثبيت كادنانو18 لتصميم قالب أوريغامي الحمض النووي. في كادنانو، بتوجيه فروع سقالة وتدبيسه وفقا للشكل المطلوب للقالب وإنشاء تسلسل خيوط التيلة بالنقر فوق أداة Seq. انقر فوق أداة الطلاء ومارك خيوط التيلة التي تتطلب مزيدا من التعديل (الشكل 1ج). انقر فوق أداة تصدير لتصدير تسلسل الحمض النووي الأساسية (الشكل 1ج) إلى ملف.csv. تصميم إقفال مزدوجة-الذين تقطعت بهم السبل لتصحيح زاوية Θ بين حزم أوريغامي اثنين. اعتماداً على التوجه النسبي لحزم اثنين، يمكن تكييف بناء أوريغامي اليسار اليمين-اليد أو (LH/RH) مراوان المكانية التكوين (الشكل 1ب). استيراد ملف.csv للمواد الغذائية الأساسية في تطبيق جدول بيانات. إضافة سلسلة10 بوليا في النهاية من السلع الأساسية المستخدمة للجمعية أونر (المؤشرات). تعديل خيوط التيلة على مواقع مصممة بقفل مع تسلسل قفل.ملاحظة: الجمعيات في نتائج تمثيلية تحتوي على 36 مقابض بارزة في نهاية 3 ‘ خيوط التيلة، 18 على كل حزمة أوريغامي الحمض النووي، موزعة بالتساوي على اثنين موازية لوالب كل 21 nt. المسافة بين الأول وآخر موضع المؤشر هو 168 nt، حوالي 57 شمال البحر الأبيض المتوسط (انظر الملف المرفق كادنانو). 2-جمعية القوالب أوريغامي الحمض النووي إعداد رصيد عامل من خيوط التيلة (SM)، بما في ذلك خيوط مع مقابض وإقفال، عن طريق خلط كميات متساوية من تركيز تطبيع النوكليوتيد الأساسية (مثل، 100 ميكرومتر).ملاحظة: تتضمن هياكل أوريغامي عادة عدة مئات من خيوط التيلة. عادة يتم شراء المواد الغذائية الأساسية من الموردين المتخصصين في التوليف الكيميائي للحمض النووي النوكليوتيد في مولتيويل (مثلاً، 96-جيدا) لوحات. ل 500 ميليلتر من 10 نانومتر أوريغامي، مزيج 50 ميليلتر يدتا تريس (الشركة المصرية للاتصالات، 10 x)، 100 ميليلتر مجكل2 (100 ملم)، 25 ميليلتر من كلوريد الصوديوم (100 ملم)، ميليلتر 175 ح2س، 100 ميليلتر من SM (0.5 ميكرومتر)، 5 ميليلتر من قفل فروع (5 ميكرون) ، وسقالة 50 ميليلتر (100 nM). يصلب الخليط في ثيرموسيكلير من 80 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية كما هو موضح في الجدول 1. 3. تنقية أوريغامي الحمض النووي ملاحظة: هذا المقطع يصف البروتوكول من أجل تنقية [اغروس] هلام. ويمكن أيضا تنقية قوالب أوريغامي الحمض النووي باستخدام النهج البديلة38،39. لجل 1%، حل ز 1 من [اغروس] في 100 مل من تريس-بورات-يدتا (TBE، 0.5 x) بتدفئة الخليط في فرن ميكروويف. إضافة 10 ميليلتر 10,000 العاشر وصمة عار الحمض النووي طبقاً لمواصفات وصمة عار. لتقليل التعرض للأشعة فوق البنفسجية في خطوة الاستخراج (الخطوة 3، 6)، استخدم وصمة الحمض النووي التي يمكن تصور تحت الإثارة الأزرق. بارد الحل إلى حوالي 40 درجة مئوية وإضافة 1 مل من مجكل2 (1.3 م) ببطء بينما تهتز. يلقي جل واحتضان لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. تعيين جهاز التفريد وصب الباردة (4 درجة مئوية) تشغيل المخزن المؤقت (0.5 x TBE مع 11 مم مجكل2) إلى مربع هلام. ضع مربع هلام في حمام الماء المثلج. أضف تحميل المخزن المؤقت للعينات أوريغامي (6 x تحميل المخزن يحتوي على 15% بوليسوكروسي 400 و 0.25% بروموفينول في الماء الأزرق). تحميل العينات الآبار بحجم مناسب وفقا مشط المستخدمة (مثل، 50 ميليلتر مشط 8-جيدا من 1.5 مم في السمك). تشغيل التفريد ح 2 في 80 الخامس.ملاحظة: لتميز ورقي وفصل بنية مفتوحة ومغلقة، استخدم جل 2% بدلاً من 1% وإطالة مدة العرض إلى ح 4. صورة الجل مع تصوير هلام (الشكل 2). استخدام ترانسيلوميناتور ضوء أزرق لتصور العصابات وقص شريط ورقي، وسحق الجل على بارافيلم واستخراج السائل. العائد الانتعاش هو حوالي 40%. “الماصة؛” السائل إلى وحدة تصفية الطرد مركزي، وتدور في 3,000 س ز للحد الأدنى 5 قياس امتصاص الحل أوريغامي في 260 نيوتن متر مع مطياف الأشعة فوق البنفسجية-مرئية (تجاه الأشعة فوق البنفسجية). تقدير تركيز أوريغامي استخدام معامل انقراض 1.3 × 108 م-1·cm-1.ملاحظة: تركيز نموذجي لحل أوريغامي بعد [اغروس] هلام تنقية نانومتر 1-2. تخزين القوالب أوريغامي المنقاة في 4 درجات مئوية لاستخدامها في وقت لاحق. 4-تجميع الذهب نانورودس ملاحظة: يتم تكييف البروتوكول المتعلق بتوليف أونر من المؤلفات السابقة40 مع تعديلات طفيفة. تغسل جميع الأواني الزجاجية مع ريجيا أكوا لمدة 5 دقائق وشطفه بالماء، sonicate أنه مع الماء عالي النقاوة والجافة قبل الاستخدام. تحضير بروميد هيكساديسيلتريميثيلامونيوم 0.2 M (كتاب)، 1 مم حوكل4، 4 مم إنيو3، 64 مم L (+)-حمض الأسكوربيك، و 6 ملم نأبه4. استخدام الماء البارد (4 درجة مئوية) حل نأبه4 والاحتفاظ به في ثلاجة عند 4 درجة مئوية. وقد حل حمض الأسكوربيك يكون طازج.تنبيه: كتاب الخطرة في حالة تماس الجلد (مهيجة)، الاتصال بالعين (مهيجة) وابتلاع واستنشاق. ارتداء ملابس واقية مناسبة. في حالة عدم كفاية التهوية وارتداء معدات تنفسية مناسبة. نأبه4 خطرة للغاية في حالة تماس الجلد (مهيجة)، الاتصال بالعين (مهيجة) وابتلاع واستنشاق. ارتداء معطف مختبر وقفازات، نظارات دفقة ومن تنفس البخار والغبار. تأكد من استخدام تنفس المعتمدة أو شهادة أو ما يعادلها. إعداد البذور الاتحاد الأفريقي. إضافة 500 ميليلتر من كتاب (0.2 M)، 250 ميليلتر من الماء عالي النقاوة، و 250 ميليلتر حوكل4 (1 مم) في قنينة زجاج. ضجة في 450 دورة في الدقيقة في درجة حرارة الغرفة لمدة 5 دقائق. زيادة معدل إثارة على 1,200 لفة في الدقيقة. إضافة 100 ميليلتر الباردة حل4 نأبه (6 مم، 4 درجة مئوية). بعد 2 دقيقة، توقف التحريك واحتضان الحل في حمام مائي عند 30 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة قبل الاستخدام. إعداد أونرس. حل ز 0.55 من كتاب و 0.037 غ حمض 2، 6-ديهيدروكسيبينزويك في 15 مل ماء الدافئ (60-65 درجة مئوية) في قارورة مستديرة القاع. تهدئة الحل إلى 30 درجة مئوية وإضافة 600 ميليلتر من إنيو3 (4 ملم)، ويحرك 450 لفة في الدقيقة لمدة 2 دقيقة. بعد ذلك، ترك الحل دون عائق لمدة 15 دقيقة في 30 درجة مئوية. إضافة 15 مل حوكل4 (1 مم) إلى الحل، ويقلب 450 لفة في الدقيقة ميليلتر 120 إضافة 15 دقيقة من L (+)-حمض الأسكوربيك (64 مم)، ثم، فورا، يحرك 1,200 لفة في الدقيقة ل 30 ميليلتر إضافة 12 س. بذور الاتحاد الأفريقي، والحفاظ على إثارة 1,200 لفة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. احتضان الحل في حمام مائي عند 30 درجة مئوية ح 18. لا تخل بالحل واستخدام غطاء لإغلاق في قارورة. نقل الحل الناتجة إلى أنابيب الطرد المركزي، وأجهزة الطرد المركزي في 9,500 س ز لمدة 12 دقيقة عند 20 درجة مئوية. تجاهل المادة طافية وتفريق بيليه في 20 مل الماء عالي النقاوة، والقيام بخطوة واحدة الطرد المركزي. تفريق بيليه النهائي في 3 مل ماء المقطر. تقدير تركيز أونرس من قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية مقابل استخدام معامل الانقراض لصدى طولية مأكل مثل الطحين. معامل الانقراض يمكن التنبؤ باستخدام معلمات الشكل أونر41. تخزين أونرس في 4 درجات مئوية لاستخدامها مرة أخرى. 5-الروغان nanorods الذهب مع الحمض النووي واحد-الذين تقطعت بهم السبل ملاحظة: هذا المقطع يصف بروتوكول الروغان أونر مع واحد-الذين تقطعت بهم السبل الحمض النووي (سدنى)، بعد مسار ما يسمى pH منخفضة مقتبسة من الأدب السابق42. أونرس مغطاة بالحمض النووي يتم تنقيتها باستخدام الطرد المركزي؛ وبدلاً من ذلك، يمكن إجراء التنقية استخدام [اغروس] هلام التفريد. احتضان 20 ميليلتر من خيوط الحمض النووي بوليت فونكتيوناليزيد ثيول (1 مم) مع 20 ميليلتر من الطازجة tris(2-carboxyethyl) هيدروكلوريد الفوسفين (تسيب، 14 ملم) ح 1 تخفيض سندات ثنائي كبريتيد.ملاحظة: شكل جماعات ثيول السندات مع أونرس، وتسلسل بوليت هيبريديزيس مع مؤشر10 بوليا في أوريغامي, الذي زوج قاعدي كثيرة جداً أو قليلة جداً قد يؤدي إلى حدوث عطل أو تجميع غير مستقرة.تحذير: يمكن أن يسبب تسيب حروق الجلد شديدة وتلف العين. ارتداء ملابس واقية قفازات واقية/للحماية حماية/الوجه. ميكس 150 ميليلتر من أونرس (10 نانومتر) و 40 ميليلتر للمعالجة تسيب ثيول-الحمض النووي (0.5 ملم). إضافة 1% الصوديوم دوديسيل كبريتات (الحزب الديمقراطي الصربي) في حل أونر للوصول إلى تركيز 0.05% مخزونات النشر الاستراتيجي نهائي. قم بضبط درجة الحموضة إلى 2.5-3 مع ~ 1 ميليلتر من HCl (1 م). احتضانها ح 2 بينما تهز 70 لفة في الدقيقة.ملاحظة: ينبغي أن تكون نسبة أونر للحمض النووي حسب ترتيب 1:5، 000–15,000، تبعاً لحجم القضبان. أونرس (70 نانومتر x 30 nm) أعد التالية ينصح بالبروتوكول، المذكورة في القسم 4، 13,000 زائدة ثيول-الحمض النووي. إضافة كلوريد الصوديوم للوصول تضافر كلوريد الصوديوم نهائية من 0.5 متر واحتضانها ح 4 في درجة حرارة الغرفة بينما تهز 70 لفة في الدقيقة.ملاحظة: قد يشير إلى تغيير لون في هذه الخطوة من الروغان الحمض النووي فاشلة. ضبط درجة الحموضة إلى ~8.5 مع TBE العازلة (10 x) واحتضان بين عشية وضحاها. يغسل الحمض النووي–أونرس 4 x بخلط العينات مع 1 مل من الغسيل المخزن المؤقت (0.5 x TBE مع الحزب الديمقراطي الصربي 0.1%)، وأجهزة الطرد المركزي في 7,000 س ز 30 دقيقة لإزالة المادة طافية وريسوسبيند في الحمض النووي–أونرس في السائل المتبقي (~ 40 ميليلتر). تقدير تركيز الحمض النووي–أونرس من قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة كما هو موضح في الخطوة 4.4.5.ملاحظة: قد يصبح الحل قليلاً ‘غائم’ في الخطوات 5.3 5.4 بسبب استبدال كتاب من سطح أونرس واسطة ثيول-الحمض النووي. أن الحل ينبغي أن تصبح واضحة عند الاحترار يصل إلى ~ 35 درجة مئوية لمدة 5 دقائق. 6-جمعية الذهب nanorods في قوالب أوريغامي الحمض النووي إضافة مجكل2 الحل لتنقية الحمض النووي-أونرس، إلى تركيز نهائي 10 مم. مزيج الحمض النووي-أونرس المنقي وورقي بنسبة 10:1.ملاحظة: قد إنقاص نسبة أقل عائد المنتج43. يصلب المخلوط في خلاط مع تحكم في درجة حرارة من 40 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية بينما تهز 400 لفة في الدقيقة، اتباع الإجراء الوارد في الجدول 2.ملاحظة: لتحديد خصائص القرص المضغوط، يمكن قياس العينة بعد هذه الخطوة دون مزيد من تنقية. استخدام 0.7% [اغروس] هلام التفريد (ح 3.5 في 80 الخامس) لتنقية هياكل النهائي أوريغامي–أونر. استخدام ترانسيلوميناتور ضوء أبيض للتصوير. قص الفرقة المنتج (ديمر أوريغامي–أونر) (الشكل 3)، سحق الجل على بارافيلم، واستخراج السائل. ريسوسبيند ماصة السائل إلى وحدة تصفية الطرد المركزي وتدور في 3,000 س ز للحد الأدنى 5 أوريغامي–أونرس في الحل. استرداد العائد من الجل هو حوالي 50%. تقدير تركيز هياكل أوريغامي–أونر من قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة كما هو موضح في الخطوة 4.4.5. 7-إحالة الميكروسكوب الإلكتروني التصوير ملاحظة: هذا فورمات اليورانيل (اوفو) تلطيخ البروتوكول مقتبسة من الأدب السابق44. ميكس 200 ميليلتر من حل غامض (0.75%) والطرد المركزي 1 ميليلتر من هيدروكسيد الصوديوم (م 5) ودوامه فورا للحد الأدنى 2-3 الحل وصمة عار لمدة 3-4 دقيقة في س 14,000 ز. حماية وصمة عار من التعرض للضوء (مثلاً، عن طريق التفاف في رقائق الألومنيوم).تنبيه: جسم غامض سامة إذا استنشقت أو ابتلعت ويمكن أن يسبب تهيج العين. في حالة التعرض قصير أو انخفاض التلوث، استخدام جهاز تصفية الجهاز تنفسي. في حالة التعرض المكثف أو أطول، استخدم جهاز حماية تنفسية مكتفية ذاتيا. ارتداء القفازات. المواد القفازات يجب أن تكون غير منفذة ومقاومة للجسم الغريب وحلولها. ارتداء نظارات محكم مختومة. وهج-تصريف الكربون/فورمفار-المغلفة شبكات ال 6 s فقط قبل الاستخدام لزيادة هيدروفيليسيتي وتعزيز التمسك الهياكل. “الماصة؛” 5 ميليلتر عينة قطرات على الشبكة TEM واحتضان لمدة 5-8 دقائق وإزالة القطرة بلمس بلطف ورقة تصفية مع حافة الشبكة. “الماصة؛” واحدة كبيرة (~ 20 ميليلتر) وواحدة صغيرة (~ 10 ميليلتر) قطره من الحل وصمة عار على بارافيلم. وضع الشبكة على إسقاط الحل وصمة عار صغيرة وجافة فورا بلمس الورقة عامل التصفية مع حافة الشبكة. ثم وضعه على القطرة الحل وصمة عار كبيرة لمدة 30 ثانية. إزالة السائل على الشبكة عن طريق لمس الورقة عامل التصفية مع حافة الشبكة. مكان الشبكة في صاحب الشبكة. الانتظار للشبكة لتجف لمدة 10 دقيقة على الأقل. تميز في نماذج أوريغامي (الشكل 4)، أونرس (الشكل 5)، واوريغامي–أونرس (الشكل 6) بال. 8-التعميم تلوانيه القياس تطهير مطياف مؤتمر نزع السلاح مع ن2 لمدة 20 دقيقة.ملاحظة: معظم مطيافات مؤتمر نزع السلاح تتطلب تطهير مع N2 قبل اشتعال مصباح. تحقق من دليل المقياس الطيفي لمؤتمر نزع السلاح. تعيين عرض النطاق الترددي، ومجموعة المسح، واقتناء خطوة.ملاحظة: نطاق المسح الضوئي يعتمد على الخصائص البصرية أونرس، التي تعتمد على حجم أونرس. قياس مضغوط فارغ مع المخزن المؤقت. قياس الأطياف CD عينات أوريغامي–أونر (الشكل 7).ملاحظة: استخدم كوارت أو الترعة الزجاج لقياس مؤتمر نزع السلاح. الترعة بلاستيكية غير ملائمة للتحليل الطيفي CD. أيضا، تسمح معظم مؤتمر نزع السلاح مطيافات الحصول المتزامن على الاستيعاب والبيانات مؤتمر نزع السلاح.

Representative Results

صور تيم قوالب أوريغامي الحمض النووي، أونرس، وجمعيات النهائي أوريغامي–أونر ترد في الشكل 4و الشكل 5 الشكل 6A، على التوالي. سبب تفضيلها الربط بشبكات تيم، ينظر التجميعات أوريغامي–أونر عادة كحزم أوريغامي موازية وقضبان (الشكل 6A). مطلوب الصلب الحرارية للمحاذاة الصحيحة من أونرس في قوالب أوريغامي (الشكل 6أ، ب). ويتيح البروتوكول عالية الغلة لجمعية أونرس في ميتاموليكوليس مراوان مع قوي plasmonic CD الردود (الشكل 7). درجة الحرارة (درجة مئوية) الوقت 80 مدة 15 دقيقة 79-71 1 درجة مئوية/1 دقيقة 70-66 1 درجة مئوية/5 دقيقة 65-60 1 درجة مئوية/30 دقيقة 59-37 1 درجة مئوية/60 دقيقة 36-30 1 درجة مئوية/15 دقيقة 29-20 1 درجة مئوية/5 دقيقة 20 عقد الجدول 1: درجات الحرارة ومعدلات للصلب الحرارية للقوالب أوريغامي الحمض النووي. درجة الحرارة (درجة مئوية) الوقت (دقيقة) 40 130 36 180 32 180 22 عقد الجدول 2: درجات الحرارة وأوقات عقد للصلب قوالب أوريغامي الحمض النووي وأونرس- يتم تعيين معدل التبريد بين الخطوات في 0.1 درجة مئوية/دقيقة. يتم تعتيق العينات أونر أوريغامي الحمض النووي بينما تهز 400 لفة في الدقيقة. الشكل 1 : تصميم ميتاموليكوليس مراوان templated أوريغامي الحمض النووي- (أ) تحديد الترتيب المكاني النسبي المطلوب من الذهب نانورودس (أونرس) وشكل مناسب للقالب أوريغامي الحمض النووي. (ب) تقدير المعلمات الهيكلية أونرس (دأونر، لأونر) وقالب ورقي (Wأوريغامي، Lأوريغامي, Θ). تحديد مواقف التقريبي للمواد الغذائية الأساسية التي تحتاج إلى مزيد من التعديل. (ج) تصميم قوالب أوريغامي الحمض النووي باستخدام كادنانو. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 2 : [اغروس] هلام التفريد أوريغامي. (أ) تنقية مع 1% [اغروس] هلام التفريد ح 2 في 80 ف (ب) توصيف مع 2% [اغروس] هلام التفريد ح 4 في 80 ف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 3 : [اغروس] هلام التفريد تنقية أوريغامي–أونرس- هلام (0.7%) تم تشغيل ح 3.5 في 80 الخامس للعينات التي أعدت وفق إجراءات الجمعية مع نسب مختلفة من الحمض النووي-أونر-إلى–أوريغامي (20:1، 5:1) وعينات (نسبة الحمض النووي-أونرس-إلى–أوريغامي 10:1) مع أو بدون الصلب الداخلي. لل صور العينات في نطاقات 1 و 2 و 3، انظر الشكل 6. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 4 : صورة الممثل تيم قوالب أوريغامي الحمض النووي- الهيكل أوريغامي يتكون من اثنين 14-اللولب حزم (80 نانومتر x 16 nm x 8 nm) مرتبطة معا حبلا السقالة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 5 : صورة الممثل تيم أونرس- متوسط أبعاد أونرس المركبة هي 70 x 30 نانومتر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الرقم 6 : صور تيم التجميعات أوريغامي–أونر- (أ) dimers أونر على ورقي بعد الصلب (الفرقة 1 في الشكل 3). (ب) dimers أونر في أوريغامي دون انلينغ (الفرقة 2 في الشكل 3). المجاميع (ج) أوريغامي–أونر (الفرقة 3 في الشكل 3). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم- الشكل 7 : الأطياف CD الجمعيات أوريغامي–أونر- الأطياف CD الهياكل المغلقة (أوريغامي القوالب الثابتة بخيوط قفل في تكوين اليد اليمنى، مع 50° بين اثنين أوريغامي حزم) وبنية مفتوحة (قوالب أوريغامي دون خيوط قفل). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Discussion

ويدخل البروتوكول سير العمل كله من تصميم والجمعية، وتنقية وتوصيف التجميعات مراوان المستندة إلى أوريغامي الحمض النووي من أونرس. قوالب أوريغامي الحمض النووي المستخدمة في البروتوكول مناسبة بشكل خاص لتلفيق جمعيات تستجيب للمنبهات. أنواع مختلفة من الاستجابات وفونكتيوناليزيس يمكن إدراجها في فروع التأمين التي تحدد الدولة مراوان أوريغامي قالب (الشكل 1ب)24،25،،من2631. للتجميعات الثابتة، غالباً ما أبسط قوالب على شكل كتلة كافية14،45،،من4647.

أن النهج القائم على أساس أوريغامي الحمض النووي لتصنيع plasmonic nanostructure يرث قيود تقنية أوريغامي الحمض النووي48. عادة ما يقتصر حجم القوالب أوريغامي حجم حبلا السقالة. يتم تقليل استقرار هياكل الحمض النووي تحت شروط قانون الملح. تكلفة تدبيس الاصطناعية فروع ما زالت عالية بدلاً من ذلك. ومع ذلك، يتوقع التطورات الأخيرة في المجال تكنولوجيا النانو الحمض النووي الهيكلية للتغلب على هذه القيود49،،من5051،52،،من5354 , 55.

مقارنة بسائر النهج المستندة إلى الجزيئية لتوليد مراوان جمعيات أونرس34،35،،من3637، أوريغامي الحمض النووي توفر مستوى عال من الدقة المكانية وقابلية البرمجة.

لتحقيق الاستجابات البصرية موثوقة واستنساخه من التجميعات مراوان، نوصي بشدة بتكييف البروتوكولات ل توليف أونر40، نظراً لنوعية والخصائص البصرية للمنتجات التجارية قد تختلف بين دفعات. انلينغ إضافية (الخطوة 6.2) في كثير من الأحيان حاسمة الأهمية لضمان إلحاق أونرس الصحيح لقوالب أوريغامي الحمض النووي (الشكل 6).

أخيرا، لا يقتصر البروتوكول هو موضح هنا للتجميعات مراوان. أوريغامي الحمض النووي يوفر منصة مرنة للغاية لتصنيع النانو plasmonic معقدة9،10.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يشكر المؤلفون س. فوتيلينين لمساعدتها مع المقياس الطيفي لمؤتمر نزع السلاح. الكتاب نعترف بتوفير التسهيلات والدعم التقني من قبل جامعة الفأر ألتو في أوتانانو-نانوميكروسكوبي مركز (الفأر ألتو-المركز الوطني للإعلام). هذا العمل كان يدعمها أكاديمية فنلندا (منحة 308992) وافق 2020 البحث والابتكار البرنامج الاتحاد الأوروبي في تحت Skłodowska ماري كوري-منح الاتفاق رقم 71364.

Materials

2,6-Dihydroxybenzoic acid Sigma-Aldrich D109606-25 98+%
AgNO3 Alfa Aesar AA1141414 99.90%
Blue light transilluminator  Nippon Genetics FG-06 FastGene LED Transilluminator
Bromophenol Blue Acros Organics 403160050 For agarorose gel  loading buffer
Centrifugal filter units Merck Millipore 42600 DNA extraction from agarose
Chirascan CD spectrometer  Applied Photophysics
Cuvette  Hellma  105-202-85-40 Quartz SUPRASIL
DNA lobind tubes Eppendorf 30108051
Eppendorf Biospectrometer  Eppendorf 6135000904
Eppendorf ThermoMixer C Eppendorf 5382000015
Ficoll 400 Thermo Fisher Scientific  BP525-10 Polysucrose 400 (For agarorose gel  loading buffer)
Gel electrophoresis sets Thermo Fisher Scientific
Gel imager Bio-Rad Gel Doc XR+ System 
HAuCl4•3H2O Alfa Aesar AA3640006 99.99%
HCl  Scharlau AC07441000 1M
Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) Sigma-Aldrich H9151-100 BioXtra, 98+%
L(+)-ascorbic acid Acros Organics 401471000 99+%
M13p7560 scaffold strand Tilibit nanosystems
MgCl2•6H2O Sigma-Aldrich M2670-500 BioXtra, 99+%
NaBH4 Acros Organics 200050250 99%
NaCl Sigma-Aldrich S7653-500 BioXtra, 99.5+%
NaOH Sigma-Aldrich S8045-500 BioXtra, 98+%
Parafilm Sigma-Aldrich P7668-1EA PARAFILM M
PBS buffer (10X) Thermo Fisher Scientific BP3991 Molecular Biology
ProFlex PCR System Thermo Fisher Scientific 4484073
Sodium dodecyl sulfate (SDS) Sigma-Aldrich 74255-250 99+%
Staple strands Thermo Fisher Scientific
Sybr Safe Invitrogen  S33102 For DNA stain
TBE buffer (10X) Invitrogen 15581-044 Molecular Biology
TE buffer (10X) Thermo Fisher Scientific BP24771 Molecular Biology
TEM FEI FEI Tecnai F12
Thiol-functionalized  ssDNA  Biomers.net
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP-HCl) Thermo Fisher Scientific PI20491
UltraPure Agarose Invitrogen  16500-100
Ultrapure water (Type 1) Milli-Q Direct 8 system
Uranyl Formate Tebu-bio 24762-1
White light transilluminator UVP TW-26
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
  2. Wang, P., Meyer, T. A., Pan, V., Dutta, P. K., Ke, Y. The Beauty and Utility of DNA Origami. Chem. 2, 359-382 (2017).
  3. Hong, F., Zhang, F., Liu, Y., Yan, H. DNA Origami: Scaffolds for Creating Higher Order Structures. Chemical Reviews. 117, 12584-12640 (2017).
  4. Roller, E. -. M., Argyropoulos, C., Högele, A., Liedl, T., Pilo-Pais, M. Plasmon-Exciton Coupling Using DNA Templates. Nano Letters. 16, 5962-5966 (2016).
  5. Acuna, G. P., et al. Fluorescence Enhancement at Docking Sites of DNA-Directed Self-Assembled Nanoantennas. Science. 338, 506-510 (2012).
  6. Roller, E. -. M., et al. DNA-Assembled Nanoparticle Rings Exhibit Electric and Magnetic Resonances at Visible Frequencies. Nano Letters. 15, 1368-1373 (2015).
  7. Liu, Q., Song, C., Wang, Z. -. G., Li, N., Ding, B. Precise organization of metal nanoparticles on DNA origami template. Methods. 67, 205-214 (2014).
  8. Roller, E. -. M., et al. Hotspot-mediated non-dissipative and ultrafast plasmon passage. Nature Physics. 13, 761-765 (2017).
  9. Liu, N., Liedl, T. DNA-Assembled Advanced Plasmonic Architectures. Chemical Reviews. 118, 3032-3053 (2018).
  10. Kuzyk, A., Jungmann, R., Acuna, G. P., Liu, N. DNA Origami Route for Nanophotonics. ACS Photonics. 5, 1151-1163 (2018).
  11. Kuzyk, A., et al. DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response. Nature. 483, 311-314 (2012).
  12. Shen, X., et al. Three-Dimensional Plasmonic Chiral Tetramers Assembled by DNA Origami. Nano Letters. 13, 2128-2133 (2013).
  13. Liu, H., Shen, X., Wang, Z. -. G., Kuzyk, A., Ding, B. Helical nanostructures based on DNA self-assembly. Nanoscale. 6, 9331-9338 (2014).
  14. Shen, X., et al. 3D plasmonic chiral colloids. Nanoscale. 6, 2077-2081 (2014).
  15. Urban, M. J., et al. Plasmonic Toroidal Metamolecules Assembled by DNA Origami. Journal of the American Chemical Society. 138, 5495-5498 (2016).
  16. Hentschel, M., Schäferling, M., Duan, X., Giessen, H., Liu, N. Chiral plasmonics. Science Advances. 3, 1602735 (2017).
  17. Cecconello, A., Besteiro, L. V., Govorov, A. O., Willner, I. Chiroplasmonic DNA-based nanostructures. Nature Reviews Materials. 2, 17039 (2017).
  18. Lan, X., Wang, Q. Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures. Advanced Materials. 28, 10499-10507 (2016).
  19. Shen, C., et al. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami. Advanced Materials. 29, 1606533 (2017).
  20. Zhou, C., Duan, X., Liu, N. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami. Nature Communications. 6, 8102 (2015).
  21. Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37, 5001-5006 (2009).
  22. Kim, D. -. N., Kilchherr, F., Dietz, H., Bathe, M. Quantitative prediction of 3D solution shape and flexibility of nucleic acid nanostructures. Nucleic Acids Research. 40, 2862-2868 (2012).
  23. Maffeo, C., Yoo, J., Aksimentiev, A. De novo reconstruction of DNA origami structures through atomistic molecular dynamics simulation. Nucleic Acids Research. 44, 3013-3019 (2016).
  24. Kuzyk, A., et al. Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules. Nature Materials. 13, 862-866 (2014).
  25. Kuzyk, A., et al. A light-driven three-dimensional plasmonic nanosystem that translates molecular motion into reversible chiroptical function. Nature Communications. 7, 10591 (2016).
  26. Kuzyk, A., Urban, M. J., Idili, A., Ricci, F., Liu, N. Selective control of reconfigurable chiral plasmonic metamolecules. Science Advances. 3, 1602803 (2017).
  27. 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, 1446-1452 (2015).
  28. Zhou, C., Duan, X., Liu, N. DNA-Nanotechnology-Enabled Chiral Plasmonics: From Static to Dynamic. Accounts of Chemical Research. 50, 2906-2914 (2017).
  29. Ijäs, H., et al. Dynamic DNA Origami Devices: from Strand-Displacement Reactions to External-Stimuli Responsive Systems. International Journal of Molecular Sciences. 19, 2114 (2018).
  30. Lan, X., et al. DNA-Guided Plasmonic Helix with Switchable Chirality. Journal of the American Chemical Society. 140, 11763-11770 (2018).
  31. Funck, T., Nicoli, F., Kuzyk, A., Liedl, T. Sensing Picomolar Concentrations of RNA Using Switchable Plasmonic Chirality. Angewandte Chemie International Edition. 57, 13495-13498 (2018).
  32. Zhou, C., Xin, L., Duan, X., Urban, M. J., Liu, N. Dynamic Plasmonic System That Responds to Thermal and Aptamer-Target Regulations. Nano Letters. 18, 7395-7399 (2018).
  33. Zhan, P., et al. Reconfigurable Three-Dimensional Gold Nanorod Plasmonic Nanostructures Organized on DNA Origami Tripod. ACS Nano. 11, 1172-1179 (2017).
  34. Ma, W., et al. Attomolar DNA detection with chiral nanorod assemblies. Nature Communications. 4, 2689 (2013).
  35. Ma, W., et al. Chiral plasmonics of self-assembled nanorod dimers. Scientific Reports. 3, 1934 (2013).
  36. Guerrero-Martínez, A., et al. Intense Optical Activity from Three-Dimensional Chiral Ordering of Plasmonic Nanoantennas. Angewandte Chemie International Edition. 50, 5499-5503 (2011).
  37. Kumar, J., et al. Detection of amyloid fibrils in Parkinson’s disease using plasmonic chirality. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115, 3225-3230 (2018).
  38. 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, 12735-12740 (2014).
  39. Shaw, A., Benson, E., Högberg, B. Purification of Functionalized DNA Origami Nanostructures. ACS Nano. 9, 4968-4975 (2015).
  40. Ye, X., et al. Improved Size-Tunable Synthesis of Monodisperse Gold Nanorods through the Use of Aromatic Additives. ACS Nano. 6, 2804-2817 (2012).
  41. Near, R. D., Hayden, S. C., Hunter, R. E., Thackston, D., El-Sayed, M. A. Rapid and Efficient Prediction of Optical Extinction Coefficients for Gold Nanospheres and Gold Nanorods. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 23950-23955 (2013).
  42. Shi, D., Song, C., Jiang, Q., Wang, Z. -. G., Ding, B. A facile and efficient method to modify gold nanorods with thiolated DNA at a low pH value. Chemical Communications. 49, 2533-2535 (2013).
  43. Gür, F. N., Schwarz, F. W., Ye, J., Diez, S., Schmidt, T. L. Toward Self-Assembled Plasmonic Devices: High-Yield Arrangement of Gold Nanoparticles on DNA Origami Templates. ACS Nano. 10, 5374-5382 (2016).
  44. Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Methods. 8, 221-229 (2011).
  45. Lan, X., et al. Bifacial DNA Origami-Directed Discrete, Three-Dimensional, Anisotropic Plasmonic Nanoarchitectures with Tailored Optical Chirality. Journal of the American Chemical Society. 135, 11441-11444 (2013).
  46. Lan, X., et al. Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality. Journal of the American Chemical Society. 137, 457-462 (2015).
  47. Zhu, C., Wang, M., Dong, J., Zhou, C., Wang, Q. Modular Assembly of Plasmonic Nanoparticles Assisted by DNA Origami. Langmuir. , (2018).
  48. Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature Nanotechnology. 6, 763-772 (2011).
  49. Ducani, C., Kaul, C., Moche, M., Shih, W. M., Högberg, B. Enzymatic production of ‘monoclonal stoichiometric’ single-stranded DNA oligonucleotides. Nature Methods. 10, 647-652 (2013).
  50. Praetorius, F., et al. Biotechnological mass production of DNA origami. Nature. 552, 84-87 (2017).
  51. Wagenbauer, K. F., Sigl, C., Dietz, H. Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies. Nature. 552, 78-83 (2017).
  52. Zhang, T., et al. 3D DNA Origami Crystals. Advanced Materials. 30, 1800273 (2018).
  53. Ong, L. L., et al. Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components. Nature. 552, 72-77 (2017).
  54. Ponnuswamy, N., et al. Oligolysine-based coating protects DNA nanostructures from low-salt denaturation and nuclease degradation. Nature Communications. 8, 15654 (2017).
  55. Agarwal, N. P., Matthies, M., Gür, F. N., Osada, K., Schmidt, T. L. Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami. Angewandte Chemie International Edition. 56, 5460-5464 (2017).

Tags

Gold NanorodsChiral Plasmonic MetamoleculesDNA Origami TemplatesChiroptical ResponseCaDNAnoScaffold StrandsStaple StrandsPolyadenine HandlesLock SequencesOrigami AnnealingAgarose Gel ElectrophoresisDNA StainOrigami Band ExtractionGold Nanorod Preparation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Huang, Y., Nguyen, M., Kuzyk, A. Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates. J. Vis. Exp. (145), e59280, doi:10.3791/59280 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image