Name: DNA折纸设计生物反应灵敏的机器人 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: 学习使用CAD nano软件设计DNA折纸纳米机器人，通过绘制形状、规划支架链路径、编辑订书钉链及设置控制功能，实现可响应生物信号的形变机器人设计。该方法为纳米生物技术和机器人学研究提供标准化框架。

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作者谨此感谢 S. Douglas 提供的极为宝贵的讨论和建议，以及巴伊兰大学生命科学学院和纳米技术与先进材料研究所巴切莱特实验室所有成员的有益讨论和工作支持。本工作得到了巴伊兰大学生命科学学院及纳米技术与先进材料研究所资助项目的资助。

<ol><li>Watson, J. D., Crick, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genetical+implications+of+the+structure+of+deoxyribonucleic+acid%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.</a> Nature. 171, 964-967 (1953).</li>
<li>Adleman, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+computation+of+solutions+to+combinatorial+problems%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Molecular computation of solutions to combinatorial problems.</a> Science. 266, 1021-1024 (1994).</li>
<li>Qian, L., Winfree, E., Bruck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neural+network+computation+with+DNA+strand+displacement+cascades%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Neural network computation with DNA strand displacement cascades.</a> Nature. 475, 368-372 (2011).</li>
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<li>Tang, Z., Parekh, P., Turner, P., Moyer, R. W., Tan, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generating+aptamers+for+recognition+of+virus-infected+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Clin.+Chem%22%5BJournal%5D)">Generating aptamers for recognition of virus-infected cells.</a> Clin. Chem. 55, 813-822 (2009).</li>
<li>Baskerville, S., Bartel, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+ribozyme+that+ligates+RNA+to+protein%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">A ribozyme that ligates RNA to protein.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 9154-9159 (2002).</li>
<li>Bartel, D. P., Szostak, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolation+of+new+ribozymes+from+a+large+pool+of+random+sequences+%5Bsee+comment%5D%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences [see comment].</a> Science. 261, 1411-1418 (1993).</li>
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<li>Xie, Z., Wroblewska, L., Prochazka, L., Weiss, R., Benenson, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-input+RNAi-based+logic+circuit+for+identification+of+specific+cancer+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Multi-input RNAi-based logic circuit for identification of specific cancer cells.</a> Science. 333, 1307-1311 (2011).</li>
<li>Rothemund, P. W., Papadakis, N., Winfree, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Algorithmic+self-assembly+of+DNA+Sierpinski+triangles%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Biol%22%5BJournal%5D)">Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles.</a> PLoS Biol. 2, e424(2004).</li>
<li>Chen, J. H., Seeman, N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+from+DNA+of+a+molecule+with+the+connectivity+of+a+cube%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube.</a> Nature. 350, 631-633 (1991).</li>
<li>He, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+self-assembly+of+DNA+into+symmetric+supramolecular+polyhedra%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra.</a> Nature. 452, 198-201 (2008).</li>
<li>Seeman, N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nucleic+acid+junctions+and+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Theor.+Biol%22%5BJournal%5D)">Nucleic acid junctions and lattices.</a> J. Theor. Biol. 99, 237-247 (1982).</li>
<li>Wei, B., Dai, M., Yin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complex+shapes+self-assembled+from+single-stranded+DNA+tiles%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles.</a> Nature. 485, 623-626 (2012).</li>
<li>Yin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Programming+DNA+tube+circumferences%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Programming DNA tube circumferences.</a> Science. 321, 824-826 (2008).</li>
<li>Rothemund, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Folding+DNA+to+create+nanoscale+shapes+and+patterns%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns.</a> Nature. 440, 297-302 (2006).</li>
<li>Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Folding+DNA+into+twisted+and+curved+nanoscale+shapes%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes.</a> Science. 325, 725-730 (2009).</li>
<li>Douglas, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Self-assembly+of+DNA+into+nanoscale+three-dimensional+shapes%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes.</a> Nature. 459, 414-418 (2009).</li>
<li>Douglas, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+prototyping+of+3D+DNA-origami+shapes+with+caDNAno%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno.</a> Nucleic Acids Res. 37, 5001-5006 (2009).</li>
<li>Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+logic-gated+nanorobot+for+targeted+transport+of+molecular+payloads%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads.</a> Science. 335, 831-834 (2012).</li>
<li>Castro, C. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+primer+to+scaffolded+DNA+origami%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Methods%22%5BJournal%5D)">A primer to scaffolded DNA origami.</a> Nature Methods. 8, 221-229 (1038).</li>
<li>Ke, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multilayer+DNA+origami+packed+on+a+square+lattice%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Multilayer DNA origami packed on a square lattice.</a> Journal of the American Chemical Society. 131, 15903-15908 (2009).</li>
<li>Mallikaratchy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Using+aptamers+evolved+from+cell-SELEX+to+engineer+a+molecular+delivery+platform%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun.+%28Camb%29%22%5BJournal%5D)">Using aptamers evolved from cell-SELEX to engineer a molecular delivery platform.</a> Chem. Commun. (Camb). , 3056-3058 (2009).</li>
<li>Hamad-Schifferli, K., Schwartz, J. J., Santos, A. T., Zhang, S., Jacobson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+electronic+control+of+DNA+hybridization+through+inductive+coupling+to+an+attached+metal+nanocrystal+antenna%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Remote electronic control of DNA hybridization through inductive coupling to an attached metal nanocrystal antenna.</a> Nature. 415, 152-155 (2002).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

DNA折纸技术使我们能够在纳米尺度上精确制造具有任意特征的结构。下一步的重要进展是将功能整合到这些设计中。尽管该技术可应用于诸多领域并应对多种挑战，但人们尤其关注利用DNA折纸技术制造治疗性和科研用的纳米机器人，因为DNA本身所处的天然环境正适合此类应用。DNA在细胞中原本就作为遗传信息的存储介质，与分子机器相互作用。有趣的是，在纳米机器人或其他装置中折叠的DNA除了作为结构材料外，仍可充当遗传信息载体；当纳米机器人解体后，这些遗传信息可被传递并用于表达特定蛋白质，作为一系列输出反应中的组成部分。
在本文讨论的示例中，我们使用限制性内切酶来操控机器人。然而，DNA机器人响应输入信号的其他机制还包括以下几种。
分子识别：我们最近展示了基于适体门控的DNA机器人，可识别靶细胞表面的蛋白质分子20. 可筛选出适配体 体外 使用SELEX等方法23，从公司外包获得，或从适配体数据库中使用（<a href="http://aptamer.icmb.utexas.edu/" ...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>需先创建学生/学术账户（参见 &lt;a href=&quot;http://cadnano.org&quot; target=&quot;_blank">http://cadnano.org&lt;/a&gt; 中的平台特定说明）</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0（软件）</td><td>（开源）</td><td></td><td>用于设计DNA折纸结构的软件 &lt;a href=&quot;http://cadnano.org/&quot; target=&quot;_blank">http://cadnano.org&lt;/a&gt;</td></tr><tr><td>Cando（网页）</td><td>（开源）</td><td></td><td>运行DNA折纸形状模拟器的网页 &lt;a href=&quot;http://cando-dna-origami.org&quot; target=&quot;_blank">http://cando-dna-origami.org&lt;/a&gt;</td></tr></tbody></table>

从dna折纸设计一种生物响应机器人

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

核酸具有惊人的多功能性。除了作为生物信息存储介质的天然功能1，它们还可用于并行计算2,3，识别并结合分子或细胞靶标4,5，催化化学反应6,7，并在生物系统中产生可计算的响应8,9。重要的是，核酸可被编程使其自组装形成二维（2D）和三维（3D）结构10-12，从而将上述所有卓越特性整合到单一的纳米机器人中，实现对生物信号的感知并触发预设的响应，以达到期望的生物学效应。
利用核酸构建形状最初由 Seeman 提出13，此后已通过多种技术实现了该构想的若干变体11,12,14,15。然而，其中最具意义的或许是 Rothemund 提出的方法，称为支架式 DNA 折纸术16。在该技术中，一条长的（&gt;7,000 个碱基）单链 DNA“支架”在数百条短的互补链（称为“订书钉”）的引导下折叠成目标形状。折叠过程通过温度退火程序完成。该技术已成功用于创建多种二维结构，具有极高的精确性和稳定性。随后，DNA 折纸术也被拓展至三维结构17,18。
 
本文将重点介绍 Douglas 及其同事开发的 caDNAno 2.0 软件19。caDNAno 是一种功能强大且用户友好的计算机辅助设计（CAD）工具，能够实现具有多种功能的二维和三维 DNA 折纸结构的设计。该设计过程依赖于一套系统且精确的 DNA 结构抽象方案，使其相对简单高效。
本文中，我们展示了最近描述的一种DNA折纸纳米机器人（nanorobot）的设计20。该机器人之所以称为“机器人”，是因为它将感知与驱动功能相连接，以执行特定任务。我们解释了如何将多种感知机制整合到该结构中，以及如何将感知信号传递以产生预期效应。最后，我们使用Cando21对所设计结构的力学性能进行模拟。本文讨论的概念可适用于多种任务和应用场景。

图1-25 是 caDNAno 2.0 界面的截图，逐步展示了设计过程。首先勾勒出结构的横截面 （图3），随后自动添加支架链片段并完成整个支架链路径的构建 （图7）。接着，自动添加订书钉链 （图12），并根据用户自定义参数将其打断 （图14），再通过手动编辑使订书钉链适应器件的预期功能 （图15-18）。图23-24 描述了如何添加和编辑负载位点与门控链。最后，图27 展示了本设计模型的透射电子显微镜（TEM）图像。
<img src="/files/ftp_upload/50268/50268fig1.jpg" alt="螺旋组装示意图、分子结构可视化、三维蛋白质折叠分析。" fo:content-width="4.6in" fo:src...

DNA折纸是一种通过编程DNA分子的自组装来制造精确纳米级结构的强有力方法。本文描述了如何利用DNA折纸技术设计一种能够感知生物信号并响应性地发生形状变化，进而实现特定效应的纳米机器人。

从DNA折纸设计一种生物响应机器人

核酸具有惊人的多功能性。除了在自然界中作为生物信息存储介质的基本功能1之外，还可用于……

本实验的总体目标是利用 CAD nano 软件设计由 DNA 折纸构成的机器人装置。首先安装 CAD nano 软件，并使用该软件勾勒出机器人的基本形状；第二步是设计支架链的路径。接下来，插入并编辑 staples。最后一步是设置控制元件，包括有效载荷、附着位点和门控结构。最终生成用于组装前订购的 DNA 部件列表。该技术的主要优势在于简化并标准化了 DNA 折纸结构在多种应用中的设计。演示该实验流程的将是本实验室中从事 DNA 折纸机器人动力学研究的博士后 Alad Bei。开始此操作前，请下载并安装 CADnano 2 和 Autodesk Maya 2012。根据 http://cadnano.org 上的说明，Maya 内 CAD nano 的设计界面包含三个面板。顶部面板为晶格视图，用于初步勾勒形状。此面板支持双螺旋层级操作，并提供形状的截面视图。底部面板为编辑面板，支持单个碱基层级操作。右侧面板是 Maya 生成的形状实时三维模型。单击蜂窝图标可放大、聚焦并缩小晶格。在顶部面板中，可通过鼠标分别向上和向下滚动来实现。首先，在左侧面板上绘制所需形状的片段。每个圆圈代表一个双链 DNA（double DN），通过单击其圆心来选择构成该形状的螺旋。逐个螺旋依次选择，直至整个形状的轮廓绘制完成。或者，可以通过按住鼠标左键并连续绘制形状轮廓来绘制形状。观察底部面板，每条螺旋由两行方块表示。方格行代表双螺旋的两条链。每个方格代表一个碱基，橙色垂直条指示在螺旋上进行编辑操作的位置。沿网格的碱基位置以橙色条上方的数字显示。螺旋框架的默认长度为42个碱基。可通过点击编辑面板右上角的灰色箭头图标并选择延伸长度来扩展框架长度。要绘制贯穿整个结构的实际支架链路径，请按住鼠标按钮。从第一个螺旋开始，按照最初选择的相同顺序连续经过所有螺旋。在支架路径最左侧边缘的外围绘制一个矩形。通过将选中的边缘作为整体拖动到网格的左侧，来延伸支架路径。重复此过程，直至路径被正确延伸，并按照文中所述识别桥接图标，然后准备创建交叉连接。左键单击所选的桥接图标，将生成一条支架链交叉连接，表示支架链在此位置从一个螺旋跨越到另一个螺旋。重复此过程，直至支架贯穿所有螺旋，形成一个跨越整个结构的闭合环路，确保该结构中无任何区域与其他部分隔离。所述机器人在接收到特定生物输入信号后会响应性开启，从而暴露其载荷。开启过程类似于壳体开合，两半部分围绕两个轴旋转展开。轴由螺旋29与30以及61与0之间的交叉形成，这些是这些半区之间唯一的交叉，并且仅位于网格的左侧边缘或靠近左侧边缘的位置。右侧边缘将包含步态链。删除螺旋29与30之间已有的交叉。要消除交叉点，请点击任一链上的拐点。这将在交叉点原来的位置上使两条链均留下切口。要连接这些切口，请按住 Shift 键并依次点击每个切口，在螺旋 29 和 30 之间创建一个新的交叉点，位置应尽可能靠近网格的左边缘。然后在螺旋61和螺旋0之间尽可能靠近网格左边缘处创建一个新的交叉点，并定义四个朝向机器人内侧的装载位点。这些装载位点将从螺旋3、27、34和58上分支出来。对于上方面板中的每个位点，单击紧邻这些螺旋且朝向内侧的螺旋。这将把螺旋添加到底部面板的网格中。此时不要再次点击这些链以添加和编辑订书钉链。请先点击自动订书钉。软件将自动以不同颜色添加短链序列。请注意，在右侧面板的3D形状中已添加了短链序列。底部和右侧面板中的短链颜色保持一致。此外，界面左下角有一个指示器，提示订书钉（staple）长度不能过长、过短或呈环状，否则无法自动编辑订书钉。若要满足这些条件，请单击“自动打断”（auto break），此时将弹出一个对话框，要求用户为此操作定义参数。请使用默认参数并单击“确定”。软件将根据这些参数尽可能地对订书钉进行打断处理。清除螺旋29与30以及61与0之间的所有支架链交叉点，以使这些螺旋能够分离并使机器人打开。清除支架链交叉点将需要进行一些手动编辑，以修正因该操作而变得过短或不合理的支架链。为正确完成此操作，请遵循文本方案中的说明：按住Shift键并点击螺旋29上两个支架链之间的切口处。类似地，第30条链上的三个短链看起来与单个短链相似，可以通过单击边缘并按需拖动来手动延长或缩短这些短链。注意不要将任何短链环化。对HELOC 0和61重复此过程，并手动编辑每个螺旋中的所有短链。查找由粗线绘制的 staples，这意味着它们需要进一步编辑。逐一检查并根据需要进行修正。例如，过短的 staples 可以被擦除，或在可能的情况下进行延长。第二步，在上方面板中点击加载位点的螺旋，然后在下方面板中通过点击边缘并按需拖动，以延长生成的支架链片段。通过将橙色垂直条放置在支架链的期望位置，并在左侧面板中按住 Shift 键的同时点击引导螺旋，可手动为这些支架片段添加短夹链。这将在每条螺旋上添加一个短夹链前体。通过点击并拖动，将支架链前体完全延伸。找到表示引导链与支架链之间存在明显交叉点的红色桥接图标。选择一个最方便的位置引入交叉点，然后点击该桥接图标。理想的位置应能最大限度减少对支架链中现有短链的修改。在引导螺旋中，删除不属于装载位点的部分链，并将参与部分缩短至所需长度。所需长度应同时提供对装载不同类型的货物的特异性以及结合强度。通常，18 个核苷酸的尾部即可满足要求。确保 staples 仍由一条细线表示。否则，需进行编辑，直至其位于底盘内。根据需要编辑已更改的 staples。擦除引导线，仅保留 staples 的延伸部分。对所有加样位点重复这些步骤以设计步态链。首先，确定步态链的正确位置。这些将位于螺旋 29、30、61 和零上。例如，观察从 29 到 30 的步态区域。在网格右侧，螺旋 29 和 30 附近存在便于使用的 staple 链，可用作门控链。请注意它们朝向相反的方向。单击其中一个潜在步态链的边缘，将其延伸至形状外部。如果该边缘位于支架链的交叉点上，则可通过确保仅选择短链，从而简化其选择。通过点击界面右上角可选工具栏中的 scaf 开关将其关闭，延伸两条 staple 链以形成门链。编辑这些 staple 链。如果此延伸操作需要，对零号和 61 号螺旋的门链重复此步骤。为选择支架链序列，请点击查找工具。将光标放置在支架链的任意位置并单击，此时将弹出一个对话框，提示选择支架DNA来源。在对话框中，点击 M13 MP18。请注意，所选的DNA序列已添加到底部面板中的支架链和订书钉链中。最后，通过点击顶部工具栏中的“导出”按钮并为订书钉序列列表选择目标文件名，将订书钉序列导出为电子表格。点击“保存”。本视频演示了DNA折纸纳米机器人设计的逐步操作过程。首先在此勾勒出该形状的横截面。随后根据轮廓自动编辑支架链片段，并完成整个支架路径。此处展示的是底部和右侧面板的总体视图，用以演示在编辑操作过程中 3D 模型如何实时变化。如自动加钉操作后的设计图所示，已自动添加了连接链。在此图中，底部面板和右侧面板中的连接链颜色保持一致。随后，连接链根据用户定义的参数进行断裂，如此处自动断裂操作后的设计图所示。接下来，通过手动编辑 staples 链以使 staples 适应装置所需的功能。整个 Helices 29 和 30 之间的空隙表明，在此蓝图中，两条螺旋之间没有交叉连接。经过此处所示的手动编辑后，下方面板展示了加载位点 staples 的视图。移除不再需要的引导性HELOC后，此图像显示了来自HELOC 29和30的两条 staples 的延伸，这两条staples将用作GA链。请注意，这两条链朝向相反方向，这是形成步态双链（gait duplex）所必需的。此为本实验流程中设计的最终模型的透射电子显微镜（TEM）图像。样品采用尿液格式染色，并在GL透射电子显微镜中成像，具体步骤与作者此前报道中所述完全相同。观看本视频后，您应能充分理解如何针对任意选定的应用设计基于DNA折纸术的机器人。

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DNA折纸法制备生物响应型机器人的折叠与表征

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我们描述了基于DNA折纸技术将金纳米棒组装成具有强手性光学响应的手性等离激元超分子的详细方案。该方案不仅限于手性构型，还可轻松适用于多种等离激元结构的制备。...

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本文介绍了一种利用DNA折纸结构作为引导模板，在基底上制备离散且精确的无机纳米结构的实验方案。该方法通过在透明基底（蓝宝石）上制备等离激元金纳米弓形天线加以验证。...

用于传感应用的DNA折纸介导的无机结构基底纳米图案化

本实验方案的目的是在DNA折纸纳米结构上组装分子马达的集合体，并利用全内反射荧光显微镜观察该集合体的运动行为。...

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采用软光刻技术，利用机械强度高且具有导电性的水凝胶制备一种仿生支架。微图案化水凝胶可实现心肌细胞的定向排列，从而产生特定方向的收缩作用。支架中还集成了柔性微电极，以实现对自搏动心肌组织的电学调控。...

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DNA锚定的RNA聚合酶用于可编程的体外转录与分子计算

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