تصميم روبوت الحيوية استجابة من اوريغامي الحمض النووي

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصميم جهاز روبوتي من أوريغامي DNA باستخدام برنامج CAD nano. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق تثبيت برنامج CAD nano واستخدامه لتحديد الشكل العام للروبوت. وتتمثل الخطوة الثانية في تصميم مسار خيط السقالة.

بعد ذلك، يتم إدخال الـ staples وتحريرها. وتتمثل الخطوة النهائية في ضبط ميزات التحكم، بما في ذلك الحمولة ومواقع الارتباط والبوابات. وفي النهاية، يتم إنشاء قائمة بأجزاء DNA لطلبها قبل عملية التجميع.

تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية في أنها تبسط وتوحد تصميم أجسام الأوريغامي الخاصة بالـ DNA لتطبيقات متنوعة. سيقوم بعرض هذا الإجراء Alad Bei، وهو باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه يعمل على ديناميكيات روبوتات الأوريغامي الخاصة بالـ DNA في مختبري. لبدء هذا الإجراء، قم بتنزيل وتثبيت CAD nano two وAutodesk Maya 2012.

وفقاً للتعليمات الموجودة على http slash slash cad nano. org، تتضمن واجهة التصميم لبرنامج CAD nano داخل Maya ثلاث لوحات. اللوحة العلوية هي عرض الشبكة (lattice view) حيث يتم تحديد الشكل مبدئياً.

تتيح هذه اللوحة إجراء عمليات على مستوى اللولب المزدوج وتوفر عرضاً مقطعياً للشكل. أما اللوحة السفلية فهي لوحة التحرير، والتي تتيح إجراء عمليات على مستوى القاعدة الواحدة. واللوحة اليمنى هي نموذج ثلاثي الأبعاد في الوقت الفعلي للشكل تم إنشاؤه بواسطة برنامج Maya.

انقر فوق أيقونة خلية النحل للتكبير والتصغير في الشبكة. يمكن القيام بذلك في اللوحة العلوية باستخدام الماوس، وذلك بالتمرير للأعلى وللأسفل على التوالي.

للبدء، ارسم المقطع بالشكل المطلوب على اللوحة اليسرى. تمثل كل دائرة DNA مزدوج، ولأختيار الحلزونات التي تشكل هذا الشكل، انقر بزر الماوس الأيسر ببساطة على مركزها. استمر في إضافة الحلزونات واحدًا تلو الآخر حتى يتم تحديد الشكل بالكامل.

بدلاً من ذلك، يمكن رسم الشكل عن طريق الضغط على زر الماوس الأيسر ورسم الخط الخارجي للشكل بشكل مستمر. لاحظ اللوحة السفلية؛ حيث يتم تمثيل كل لولب بصفين من المربعات.

تمثل الصفوف شريطي اللولب المزدوج. ومعماثل كل مربع لقاعدة، يحدد الشريط العمودي البرتقالي مكان إجراء عمليات التحرير على طول اللولب. ويظهر موقع القاعدة على طول الشبكة كرقم فوق الشريط البرتقالي.

الطول الافتراضي لإطار الحلزون هو 42 قاعدة. ويمكن زيادة هذا الطول من خلال النقر على إحدى أيقونات الأسهم الرمادية الموجودة في الزاوية العلوية اليمنى من لوحة التحرير واختيار طول التمديد. لرسم مسار شريط السقالة الفعلي عبر الشكل، اضغط على زر الماوس.

ابدأ من اللولب الأول وانتقل باستمرار عبر جميع اللوالب باتباع نفس الترتيب الذي تم اختياره في البداية. ارسم مستطيلاً حول جميع الحواف الموجودة في أقصى يسار مسار السقالة. قم بتمديد مسار السقالة عن طريق سحب الحواف المحددة كمجموعة إلى الجانب الأيسر من الشبكة.

بعد تكرار هذه العملية حتى يتم تمديد المسار بشكل مناسب وتحديد أيقونات الجسور كما هو موضح في النص المكتوب، استعد لإنشاء التقاطعات. انقر بزر الفأرة الأيسر على أيقونة الجسر المختارة. سيتم توليد تقاطع للسقالة، مما يعني أن السقالة تتقاطع عند هذه النقطة من لولب إلى لولب.

كرر هذه العملية حتى يمر السقالة عبر جميع اللوالب ويشكل حلقة مغلقة تمتد على كامل الشكل، بحيث لا تبقى أي مناطق معزولة عن بقية هذا الشكل. يفتح الروبوت الموصوف استجابةً لمدخل بيولوجي محدد للكشف عن حمولته. وتتم عملية الفتح بطريقة تشبه الصدفة، حيث يدور نصفان حول محورين.

تتشكل المحاور عن طريق عمليات العبور بين الحلزونين 29 و30 و61 وصفر، وهي عمليات العبور الوحيدة بين هذين النصفين، وتقع فقط في الحافة اليسرى للشبكة أو بالقرب منها. أما الحافة اليمنى فستحتوي على خيوط المشي. قم بمسح عملية العبور الموجودة حالياً بين الحلزونين 29 و30.

لمسح التقاطع، انقر فوق نقطة الانثناء في أي من الشريطين. سيؤدي ذلك إلى ترك شق في كلا الشريطين حيث كان التقاطع موجوداً. لدمج الشقوق، اضغط على مفتاح shift وانقر فوق كل شق، ثم أنشئ تقاطعاً جديداً بين الحلزونين 29 و30 في أقرب نقطة ممكنة من الحافة اليسرى للشبكة.

ثم قم بإنشاء تقاطع جديد بين الحلزونين 61 وصفر في أقرب نقطة ممكنة من الحافة اليسرى للشبكة، وحدد أربعة مواقع تحميل متجهة نحو الجانب الداخلي للروبوت. ستتفرع مواقع التحميل من الحلزونات 3 27 و 34 و 58. لكل موقع في اللوحة العلوية، انقر فوق الحلزون المجاور مباشرة لهذه الحلزونات والذي يواجه الجانب الداخلي.

سيؤدي ذلك إلى إضافة الحلزونات إلى الشبكة في اللوحة السفلية. لا تنقر نقرة ثانية على هذه الطبقات الآن لإضافة الدباسات وتحريرها، بل انقر أولاً على التدبيس التلقائي (auto staple).

سيقوم البرنامج بإضافة تسلسلات الدبابيس (staple sequences) تلقائيًا بألوان متنوعة. لاحظ أنه تم إضافة الدبابيس إلى الشكل ثلاثي الأبعاد في اللوحة اليمنى. وألوان الدبابيس متطابقة في اللوحتين السفلية واليمنى.

بالإضافة إلى ذلك، يوجد مؤشر في الزاوية السفلية اليسرى من الواجهة، يشير إلى أنه لا يمكن أن تكون الدبابيس طويلة جداً أو قصيرة جداً أو دائرية ليتم تحريرها تلقائياً. لاستيفاء هذه المعايير، انقر فوق "auto break"، حيث سيفتح مربع حوار يطلب معاملات محددة من المستخدم لهذا الإجراء؛ استخدم المعاملات الافتراضية وانقر فوق "okay". سيقوم البرنامج بكسر الدبابيس وفقاً لهذه المعاملات بأفضل قدرة ممكنة.

امسح جميع التقاطعات الدباسية بين الحلزونين 29 و30 و61 و0 للسماح لهذه الحلزونات بالانفصال وتمكين الروبوت من الانفتاح. سيتطلب مسح التقاطعات الدباسية بعض التحرير اليدوي لتصحيح الدبابيس التي تصبح قصيرة جدًا أو غير منطقية نتيجة لهذا الإجراء. للقيام بذلك بشكل صحيح، اتبع التعليمات الواردة في البروتوكول النصي، قم بإزالة الدبوسين الموجودين على الحلزون 29 بالضغط على مفتاح shift والنقر على الشق الموجود بينهما.

وبالمثل، تبدو الدبابيس الثلاثة في Strand 30 كدبوس واحد؛ يمكن تمديد أو تقصير الدبابيس يدويًا عن طريق النقر على الحافة وسحبها حسب الرغبة. احرص على عدم جعل أي دبوس دائريًا. كرر هذه العملية لـ HELOCs 0 و 61 وقم بتحرير جميع الدبابيس في كل لولب يدويًا.

حدد الدباسات التي تم رسمها بخط سميك، مما يعني أنها تتطلب مزيداً من التعديل. افحص كل واحدة منها وقم بتصحيحها حسب الضرورة. على سبيل المثال، يمكن مسح الدباسات القصيرة جداً أو تمديدها إذا كان ذلك ممكناً.

ثانياً، انقر فوق لوالب موقع التحميل في اللوحة العلوية، ثم قم بتمديد قطع شريط السقالة الناتجة في اللوحة السفلية عن طريق النقر على الحافة وسحبها حسب الرغبة. أضف الدبابيس يدوياً إلى قطع السقالة هذه عن طريق وضع الشريط الرأسي البرتقالي في الموضع المطلوب على طول السقالة، مع المرور فوق لوالب التوجيه في اللوحة اليسرى مع الضغط على مفتاح shift والنقر. سيؤدي ذلك إلى إضافة مقدمة دبوس عند كل لولب.

قم بتمديد سلائف الدبابيس (staple precursors) إلى طولها الكامل أيضاً. من خلال النقر والسحب، حدد مواقع أيقونات الجسور الحمراء التي تشير إلى نقاط العبور (crossover points) بين الشريط الدليل (guide strand) والهيكل (chassis). اختر الموقع الأكثر ملاءمة لإدخال نقطة العبور وانقر على أيقونة الجسر. يتطلب الموقع الملاءم الحد الأدنى من التعديل على الدبابيس الموجودة في الهيكل.

في اللولب المرشد، احذف جزء الدبوس الذي لا يشكل جزءاً من موقع التحميل، وقم بتقصير الجزء المشارك إلى الطول المطلوب. يجب أن يوفر الطول المطلوب كلاً من النوعية لتحميل أنواع مختلفة من الحمولة وقوة الارتباط. وعادةً ما يكون الذيل المكون من 18 mer مناسباً.

تأكد من أن الدبوس يظل مسحوباً بخط رفيع. وخلاف ذلك، قم بالتعديل حتى يصبح داخل الهيكل. قم بتعديل الدبابيس التي تم تغييرها حسب الضرورة.

امسح الدليل، مع الإبقاء على تمديد الدباسة فقط. كرر هذه الخطوات لجميع مواقع التحميل لتصميم خيوط المشي. أولاً، حدد المواقع المناسبة لخيوط المشي.

ستكون هذه بمثابة دبابيس على الحلزونات 29 و30 و61 والصفر. على سبيل المثال، افحص منطقة البوابة من 29 إلى 30. توجد خيوط دبابيس ملائمة، تحيط بالحلزونين 29 و30 على الجانب الأيمن من الشبكة، والتي يمكن استخدامها كخيوط بوابة.

لاحظ أنهما يواجهان اتجاهين متعاكسين. انقر على طرف أحد خيوط البوابة المحتملة لتمديده خارج الشكل. إذا كان الطرف يقع فوق تقاطع السقالة، فيمكن تبسيط عملية تحديده من خلال التأكد من أن الدبابيس فقط هي القابلة للتحديد.

عن طريق النقر على scaf في شريط الأدوات القابل للاختيار الموجود في الجانب العلوي الأيمن من الواجهة، قم بتمديد كلا الدبوسين لتكوين خيوط البوابة. قم بتحرير الدبابيس. إذا تطلب هذا التمديد ذلك، كرر هذه العملية لخيوط البوابة في الحلزونين 0 و61.

لاختيار تسلسل السقالة، انقر فوق أداة البحث. ضع المؤشر في أي مكان على شريط السقالة وانقر، وسيفتح مربع حوار يطلب اختيار مصدر الحمض النووي (DNA) للسقالة. في مربع الحوار، انقر فوق M 13 MP 18. لاحظ أنه تمت إضافة تسلسل DNA المختار إلى شريطي السقالة والدبابيس في اللوحة السفلية.

أخيراً، قم بتصدير تسلسل الدبابيس (staple sequence) كجدول بيانات من خلال النقر على "تصدير" (export) في شريط الأدوات العلوي واختيار اسم ملف الوجهة لقائمة الدبابيس. انقر على "حفظ" (save). لقد استعرض هذا الفيديو عملية خطوة بخطوة لتصميم روبوت نانوي من أوريغامي الحمض النووي (DNA origami nano robot).

تم تحديد المقطع العرضي للشكل هنا أولاً. تلى ذلك تحديد المخطط التفصيلي عن طريق التحرير التلقائي لقطع خيوط السقالة وإكمال مسار السقالة بالكامل. يظهر هنا عرض عام للوحين السفلي والأيمن يوضح كيف يتغير النموذج ثلاثي الأبعاد في الوقت الفعلي بالتزامن مع إجراءات التحرير.

تمت إضافة خيوط التدبيس (Staple strands) تلقائيًا كما يظهر في المخطط بعد تنفيذ إجراء التدبيس التلقائي. وفي هذه الصورة، تتطابق ألوان خيوط التدبيس في اللوحة السفلية واللوحة اليمنى. ثم تم تكسير خيوط التدبيس وفقًا للمعلمات التي حددها المستخدم، كما هو موضح هنا في المخطط بعد تنفيذ إجراء الكسر التلقائي.

بعد ذلك، تم تحرير خيوط الدباسات يدويًا لتكييف الدباسات مع الوظيفة المطلوبة للجهاز. تُظهر الفجوة الكاملة بين الحلزونين 29 و 30 عدم وجود تقاطعات تربط بينهما في هذا المخطط. وبعد التحرير اليدوي، يظهر هنا عرض لدباسات موقع التحميل كما هي موضحة في اللوحة السفلية.

بعد إزالة خيوط HELOCs التوجيهية التي لم تعد ضرورية، تظهر هذه الصورة تمديد دبوسين، سيتم استخدامهما كخيوط GA من HELOCs 29 و 30. لاحظ أن الخيطين يتجهان في اتجاهين متعاكسين، وهو أمر إلزامي لتكوين مزدوج gait. هذه هي صورة TEM للنموذج النهائي المصمم في هذا الإجراء.

تُصبغ العينة بـ uranyl formate ويتم تصويرها باستخدام مجهر GL الإلكتروني النافذ تماماً كما هو موضح في التقارير السابقة للمؤلفين. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية تصميم روبوت من DNA origami لأي تطبيق من اختيارك.