Methodenartikel

Montage von Gold Laptops in chiralen plasmonische Metamolecules mit DNA Origami Vorlagen

10.7K Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/59280

⸱

5. März 2019

 ,  , 
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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir beschreiben das ausführliche Protokoll für die DNA-Origami-basierte Montage von gold Laptops in chiralen plasmonische Metamolecules mit starken Chiroptical Antworten. Das Protokoll ist nicht beschränkt auf chirale Konfigurationen und kann für die Herstellung von verschiedenen plasmonische Architekturen leicht angepasst werden.

Zusammenfassung

Die inhärente Adressierbarkeit von DNA Origami Strukturen macht sie ideale Vorlagen für die Anordnung von Metall-Nanopartikeln in komplexen plasmonische Nanostrukturen. Die hohe räumliche Präzision einer DNA Origami-templated Versammlung ermöglicht die Steuerung der Kopplung zwischen plasmonische Resonanzen einzelner Partikel und ermöglicht die Anpassung der optischer Eigenschaften der konstruierten Nanostrukturen. Vor kurzem, chiralen plasmonische Systeme erregt eine Menge Aufmerksamkeit durch die starke Korrelation zwischen der räumlichen Konfiguration plasmonische Baugruppen und deren optische Reaktionen (z. B. kreisförmigen Dichroismus [CD]). In diesem Protokoll beschreiben wir den gesamten Workflow für die Erzeugung von DNA Origami-basierte chiralen Versammlungen der gold Laptops (AuNRs). Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung der Design-Prinzipien und experimentelle Verfahren für die Herstellung von DNA-Origami-Templates, die Synthese von AuNRs und die Montage von Origami-AuNR Strukturen. Darüber hinaus ist die Charakterisierung der Strukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und CD-Spektroskopie im Preis inbegriffen. Das beschriebene Protokoll beschränkt sich nicht auf chirale Konfigurationen und für den Bau von verschiedenen plasmonische Architekturen angepasst werden kann.

Einleitung

DNA Nanostrukturen, DNA-Origami wurden insbesondere weit verwendet, um Moleküle und andere nanoskalige Komponenten (z. B. Proteine und Nanopartikel [NPs]), organisieren mit Nanometer-Präzision in nahezu beliebigen Geometrien1,2 , 3 , 4 , 5. Ordnen Sie Metall NPs auf DNA Origami Vorlagen mit einer high-Yield und Genauigkeit ermöglicht die Herstellung von plasmonische Strukturen mit neuartigen optischen Eigenschaften6,7,8, 9 , 10. DNA Origami Technik eignet sich besonders für die Erzeugung von chiralen plasmonische Strukturen, die wirklich dreidimensionale Architekturen11,12,13, erfordern 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.

Dieses Protokoll beschreibt ausführlich den gesamten Prozess der Herstellung von DNA Origami-templated chiralen Versammlungen der AuNRs. Die Software für die Gestaltung-21 verwendet und Struktur Vorhersage22,23 DNA Origami ist intuitiv und frei verfügbar. Die Origami-Herstellung und AuNR Synthese nutzen gemeinsame Biochemie Labor-Equipment (z. B. Thermocycler, Gelelektrophorese, Kochplatten, Zentrifugen). Die Strukturen sind mit standard-TEM und CD-Spektroskopie charakterisiert.

Die Herstellung von ähnlichen plasmonische Nanostrukturen mit Top-Down-Methoden (z.B. Elektronenstrahllithographie) würde eher komplizierte und teure Ausrüstung erfordern. Darüber hinaus bieten DNA Origami Vorlagen die Möglichkeit um strukturelle Rekonfigurierbarkeit plasmonische Baugruppen24,25,26,27,28,29 zu integrieren ,30,31,32,33, die extrem für Strukturen mit Lithographie Techniken hergestellt schwierig. Im Vergleich zu anderen molekularen basierende Ansätze34,35,36,37, bietet DNA Origami-basierte Herstellung ein hohes Maß an räumliche Präzision und Programmierbarkeit.

Protokoll

1. Aufbau der DNA origami

  1. Identifizieren der gewünschten relativen räumlichen Anordnung der AuNRs und die geeignete Form der DNA Origami Vorlage (Abb. 1A). Schätzen Sie die Strukturparameter von der AuNRs und die Origami-Vorlagen. Suchen Sie die ungefähre Position der Klammern, die weitere Änderung (Abbildung 1B) benötigen.
  2. Downloaden Sie und installieren Sie CaDNAno18 DNA Origami Vorlage entwerfen. Verlegen Sie in CaDNAno das Gerüst und Grundnahrungsmittel Stränge entsprechend der gewünschten Form der Vorlage und erzeugen Sie die Grundnahrungsmittel Stränge Reihenfolge durch Klicken auf Seq-Werkzeug. Klicken Sie auf Malwerkzeug und markieren Sie die Grundnahrungsmittel Stränge, die weitere Änderung (Abbildung 1C) erfordern.
  3. Klicken Sie auf Export-Tool um die Grundnahrungsmittel DNA-Sequenzen (Abbildung 1C) in eine CSV-Datei exportieren.
  4. Design-Doppelstrang-Schlösser, die Winkel- Θ zwischen den zwei Origami-Bundles zu beheben. Je nach der relativen Orientierung der beiden Bundles kann das Origami-Konstrukt links - oder Rechtshänder (LH/RH) chiralen räumliche Konfiguration (Abbildung 1B) anpassen.
  5. Importieren Sie die Heftklammern CSV-Datei in ein Tabellenkalkulationsprogramm. Fügen Sie eine PolyA10 Sequenz am Ende der Heftklammern für AuNR Montage (Griffe) verwendet. Ändern Sie die Klammer Stränge auf den Seiten gestaltete Schloss mit Schloss-Sequenzen.
    Hinweis: Die Baugruppen in die repräsentativen Ergebnisse enthalten 36 Griffe am 3' Ende der Klammer Stränge hervorstehenden, 18 auf jedes DNA-Origami-Bündel, gleichmäßig verteilt auf zwei parallele Helices jede 21 nt. Der Abstand zwischen dem ersten und dem letzten Griffposition ist 168 nt, ca. 57 nm (siehe die beigefügten CaDNAno Datei).

2. Montage der DNA Origami Vorlagen

  1. Bereiten Sie einen Arbeit bestand an Grundnahrungsmittel Stränge (SM), auch Stränge mit Griffen und Verschlüssen, durch Vermischung in gleichen Volumen Konzentration normalisiert Grundnahrungsmittel Oligonukleotide (z. B., 100 µM).
    Hinweis: Origami Strukturen enthalten in der Regel mehrere hundert Grundnahrungsmittel Stränge. Klammern werden in der Regel gekauft Hersteller spezialisiert in der chemischen Synthese von DNA Oligonucleotides Multiwell (z. B. 96-Well) Platten.
  2. Mix für 500 µL 10 nM Origami, 50 µL Tris-EDTA (TE, 10 X), 100 µL MgCl2 (100 mM), 25 µL NaCl (100 mM), H2O, 100 µL des SM 175 µL (0,5 µM) 5 µL Sperre Stränge (5 µM) , und leska 50 µL (100 nM).
  3. Tempern Sie die Mischung in einem Thermocycler von 80 ° C bis 20 ° C, wie in Tabelle 1beschrieben.

3. DNA Origami Reinigung

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt das Protokoll für die Agarose-Gel-Reinigung. DNA-Origami-Templates können auch mit alternativen Ansätzen38,39gereinigt werden.

  1. 1 % Gel, lösen sich in 1 g Agarose in 100 mL Tris-Borat-EDTA (FSME, 0,5 X) durch die Mischung in der Mikrowelle erhitzen. Fügen Sie 10 µL von 10.000 X DNA Fleck nach der Fleck-Spezifikation. Zur Minimierung die Exposition gegenüber UV-Licht bei der Extraktionsschritt (3.6) verwenden Sie eine DNA-Färbung, die unter blauen Anregung visualisiert werden kann.
  2. Lassen Sie die Lösung für ca. 40 ° C abkühlen und langsam 1 mL MgCl2 (1,3 M) beim Schütteln. Gel gegossen und 30 min bei Raumtemperatur inkubieren.
  3. Elektrophorese Gerät und gießen Sie kalt (4 ° C) laufenden Puffer (0,5 X TBE mit 11 mM MgCl2) in das Gel ein. Legen Sie die Gel-Box in ein Eis-Wasserbad.
  4. Die Origami-Proben (6 X laden Puffer enthält 15 % Polysucrose 400 und 0,25 % Bromophenol blue im Wasser) laden Puffer hinzugefügt werden. Laden Sie die Proben in die Vertiefungen mit einem richtigen Volumen nach der Kamm benutzt wird (z.B., 50 µL für eine 8-Well-Kamm von 1,5 mm Dicke).
  5. Laufen Sie die Elektrophorese für 2 h bei 80 V.
    Hinweis: Um charakterisieren das Origami und die offene und geschlossene Struktur zu trennen, verwenden Sie anstelle von 1 % 2 % Gel und verlängern Sie die Laufzeit um 4 h.
  6. Bild, das Gel mit der Gel-Imager (Abbildung 2). Verwenden Sie ein blaues Licht Transilluminator zu visualisieren die Bands, schneiden die Origami-Band, zerschlagen das Gel auf ein Parafilm, und extrahieren Sie die Flüssigkeit. Die Recovery-Ausbeute ist ca. 40 %.
  7. Pipette die Flüssigkeit in eine zentrifugale Filtereinheit und Spin bei 3.000 X g für 5 min. Messen Sie die Absorption der Origami-Lösung bei 260 nm mit einem UV-VIS (UV-VIS) Spektrometer. Die Konzentration des Origami mit einem Aussterben Koeffizienten von 1,3 x 108 M-1·cm-1zu schätzen.
    Hinweis: Die typische Konzentration von Origami Lösung nach Agarose-gel Reinigung ist 1-2 nM.
  8. Die gereinigten Origami Vorlagen bei 4 ° C für die spätere Verwendung zu speichern.

4. Synthese von gold Laptops

Hinweis: Das Protokoll für AuNR Synthese wird von früheren Literatur40 mit geringfügigen Änderungen angepasst.

  1. Waschen Sie alle Gläser mit Königswasser für 5 min, spülen sie mit Wasser mit Reinstwasser beschallen Sie und trocknen Sie es vor Gebrauch.
  2. Bereiten Sie 0,2 M Hexadecyltrimethylammonium Bromid (CTAB), 1 mM HAuCl4, 4 mM AgNO3, 64 mM L (+)-Ascorbinsäure und 6 mM NaBH4. Verwenden Sie kaltes Wasser (4 ° C), NaBH4 aufzulösen und halten es im Kühlschrank bei 4 ° C. Ascorbinsäure-Lösung muss frisch zubereitet werden.
    Achtung: CTAB ist gefährlich bei Hautkontakt (reizend), Augenkontakt (reizend), Verschlucken und einatmen. Tragen Sie geeignete Schutzkleidung. Tragen Sie bei unzureichender Belüftung geeignete Atemschutzgeräte. NaBH4 ist extrem gefährlich, bei Hautkontakt (reizend), Augenkontakt (reizend), Verschlucken und einatmen. Splash-Brille, einen Laborkittel, Handschuhe und Respirator Dampf und Staub zu tragen. Achten Sie darauf, eine Atemschutzmaske genehmigt/zertifiziert o.ä. verwenden.
  3. Bereiten Sie Au Samen.
    1. Fügen Sie 500 µL CTAB (0,2 M), 250 µL Reinstwasser und 250 µL HAuCl4 (1 mM) in einer Glasflasche. Bei 450 u/min bei Raumtemperatur für 5 min rühren.
    2. Erhöhen Sie die mitreißende Rate bis 1.200 u/min. Fügen Sie 100 µL der kalten NaBH4 -Lösung (6 mM, 4 ° C). Beenden Sie nach 2 min das Rühren und inkubieren Sie die Lösung in einem Wasserbad bei 30 ° C für 30 min vor Gebrauch.
  4. AuNRs vorbereiten.
    1. Lösen Sie 0,55 g CTAB und 0,037 g 2,6-Dihydroxybenzoic Acid in 15 mL warmes Wasser (60-65 ° C) in einem Rundboden-Kolben. Die Lösung für 30 ° C abkühlen, 600 µL AgNO3 (4 mM) hinzufügen und bei 450 u/min, 2 min rühren. Dann lassen Sie die Lösung ungestört für 15 min bei 30 ° C.
    2. Die Lösung 15 mL HAuCl4 (1 mM) hinzu, und rühren Sie mit 450 u/min für 15 min. hinzufügen 120 µL L (+)-Ascorbinsäure (64 mM), und dann sofort, bei 1.200 u/min für 30 S. hinzufügen 12 µL Au Samen rühren und rühren bei 1.200 u/min für 30 s.
    3. Inkubieren Sie die Lösung in einem Wasserbad bei 30 ° C für 18 h. Nicht stören Sie die Lösung und verwenden Sie eine Kappe, um die Flasche schließen.
    4. Übertragen Sie die resultierende Lösung auf Zentrifuge Röhren und Zentrifuge bei 9.500 X g für 12 min. bei 20 ° C. Verwerfen des Überstands, das Pellet in 20 mL Reinstwasser zu zerstreuen und führen Sie einen weiteren Zentrifugationsschritt.
    5. Die endgültige Pellet in 3 mL destilliertem Wasser auflösen. Schätzen Sie die Konzentration der AuNRs aus einem UV-VIS Absorptionsmessung mit dem Aussterben-Koeffizienten für die longitudinale Plasmon-Resonanz. Die vom Aussterben bedroht-Koeffizient kann mit AuNR Form Parameter41vorhergesagt werden. Speichern Sie die AuNRs bei 4 ° C für die weitere Verwendung.

5. die Funktionalisierung der gold Laptops mit einzelsträngiger DNA

Hinweis: Dieser Abschnitt beschreibt das Protokoll für AuNR Funktionalisierung mit einzelsträngiger DNA (SsDNA), nach dem so genannten niedrigen pH-Wert Weg aus früheren Literatur42angepasst. Die AuNRs mit DNA abgedeckt werden durch Zentrifugation gereinigt; Alternativ kann die Reinigung mit Agarose-Gelelektrophorese durchgeführt werden.

  1. Inkubieren 20 µL der Thiol-funktionalisiert PolyT DNA-Stränge (1 mM) mit 20 µL der frisch zubereiteten tris(2-carboxyethyl) Phosphin-Hydrochlorid (DÄMMUND, 14 mM) für 1 h, Disulfid-Bindungen zu reduzieren.
    Hinweis: Die Thiol-Gruppen-Form verbindet sich mit AuNRs und die PolyT Sequenz hybridisiert mit dem PolyA10 Griff auf das Origami, in dem zu viele oder zu wenige Basenpaare zu einer Fehlfunktion oder eine instabile Montage führen kann.
    Achtung: DÄMMUND kann schwere Verbrennungen und Schädigungen des Auges führen. Tragen Sie schützende Handschuhe/schützende Kleidung/Augenschutz Schutz/Gesichtsschutz.
  2. AuNRs Mix 150 µL (10 nM) und 40 µL DÄMMUND behandelt Thiol-DNA (0,5 mM). Die AuNR-Lösung für eine SDS-Endkonzentration von 0,05 % erreichen fügen Sie 1 % Sodium Dodecyl Sulfat (SDS hinzu). Stellen Sie den pH-Wert auf 2,5-3 mit ~ 1 µL HCl (1 M).
  3. 2 h unter Schütteln bei 70 u/min inkubieren.
    Hinweis: Das AuNR-DNA-Verhältnis sollte in der Größenordnung von 1:5 000-15.000, abhängig von der Größe der Stäbe. Für die AuNRs (70 nm X 30 nm) vorbereitet folgt das Protokoll beschrieben in Abschnitt 4, eine überschüssige 13.000 Thiol-DNA wird empfohlen.
  4. Fügen Sie NaCl um eine endgültige NaCl-Abstimmung von 0,5 M zu erreichen und unter Schütteln bei 70 u/min für 4 h bei Raumtemperatur inkubieren.
    Hinweis: Eine Farbänderung bei diesem Schritt kann eine fehlerhafte DNA-Funktionalisierung hindeuten.
  5. Stellen Sie den pH-Wert auf ~8.5 mit TBE-Puffer (10 X) und inkubieren Sie über Nacht.
  6. Waschen Sie die DNA-AuNRs 4 X durch die Vermischung der Proben mit 1 mL Waschpuffer (0,5 X TBE mit 0,1 % SDS), und Zentrifuge bei 7.000 X g für 30 min. Überstands entfernen und Aufschwemmen der DNA-AuNRs in die restliche Flüssigkeit (~ 40 µL). Die Konzentration von DNA-AuNRs aus einem UV-VIS Absorptionsmessung zu schätzen, wie in Schritt 4.4.5 beschrieben.
    Hinweis: Die Lösung könnte leicht trübe 5.3 5.4 Schritte aufgrund der CTAB Ersatz von der Oberfläche der AuNRs von Thiol-DNA werden. Die Lösung sollte auf bis zu ~ 35 ° C für 5 min Erwärmung deutlich geworden.

6. Montage von gold Laptops auf DNA Origami Vorlagen

  1. Die Lösung der gereinigte DNA-AuNRs, um eine Endkonzentration von 10 mM MgCl2 hinzufügen. Mischen Sie die gereinigte DNA-AuNRs und Origami zu einem Verhältnis 10:1.
    Hinweis: Ein niedrigeres Verhältnis kann das Produkt Ertrag43verringern.
  2. Tempern Sie die Mischung in einem Mischer mit einer Temperaturregelung von 40 ° C bis 20 ° C unter Schütteln bei 400 u/min, nach dem Verfahren in Tabelle 2.
    Hinweis: Für die CD-Charakterisierung, kann die Probe nach diesem Schritt ohne weitere Reinigung gemessen werden.
  3. Verwenden Sie 0,7 % Agarose-Gelelektrophorese (3,5 h bei 80 V), um die endgültige Origami-AuNR Strukturen zu reinigen.
  4. Verwenden Sie ein weißes Licht Transilluminator für die Bildgebung. Schneiden Sie die Produkt-Band (Origami-AuNR Dimer) (Abbildung 3), zerschlagen das Gel auf ein Parafilm, und extrahieren Sie die Flüssigkeit. Pipette die Flüssigkeit in eine zentrifugale Filtereinheit und Spin bei 3.000 X g für 5 min. Aufschwemmen der Origami-AuNRs in der Lösung. Die Recovery-Ausbeute aus dem Gel ist etwa 50 %.
  5. Die Konzentration der Origami-AuNR Strukturen aus einer UV-VIS Absorptionsmessung zu schätzen, wie in Schritt 4.4.5 beschrieben.

7. Übertragung Elektronenmikroskopie Bildgebung

Hinweis: Diese Uranyl-Formiat (UFo) Färbeprotokoll ist aus früheren Literatur44angepasst.

  1. Mix-200 µL der UFo-Lösung (0,75 %) und 1 µL NaOH (5 M) und Vortex sofort für ca. 2-3 min. Zentrifugieren die Fleck-Lösung für 3-4 min bei 14.000 X g. Schützen Sie den Fleck vor Lichteinwirkung (z. B. durch es in Alufolie einwickeln).
    Achtung: UFo ist giftig, wenn inhaliert oder geschluckt und kann Augenreizungen verursachen. Verwenden Sie bei kurzen Exposition oder geringe Umweltbelastung Atemfilter Gerät. Verwenden Sie bei intensiver oder längere Exposition eine eigenständige Atmung Schutzvorrichtung. Tragen Sie Handschuhe. Das Handschuhmaterial muss undurchlässig und beständig gegen UFo und seine Lösungen sein. Dicht schließende Schutzbrille zu tragen.
  2. Glimmentladung Kohlenstoff/Formvar-beschichtete TEM Grids für 6 s kurz vor dem Einsatz zu erhöhen Hydrophilie und fördern das Anhaften der Strukturen. Pipette 5 µL Probe Tropfen in der TEM-Startaufstellung, 5-8 min inkubieren und entfernen Sie die Tropfen durch ein Filterpapier mit dem Rand des Rasters sanft berühren.
  3. Pipette eine, die große (~ 20 µL) und ein kleines (~ 10 µL) Fleck-Lösung auf einem Parafilm ablegen. Legen Sie das Raster auf den kleinen Fleck Lösung Tropfen und sofort trocknen Sie, indem Sie auf das Filterpapier mit dem Rand des Rasters. Dann legte sie auf den großen Fleck Lösung Tropfen für 30 s.
  4. Entfernen Sie die Flüssigkeit in der Startaufstellung durch berühren das Filterpapier mit dem Rand des Rasters. Legen Sie das Raster in der Gitterhalter. Warten Sie, bis das Gitter mindestens 10 min trocknen lassen.
  5. Die Proben von Origami (Abbildung 4), AuNRs (Abbildung 5) und Origami-AuNRs (Abbildung 6) durch TEM zu charakterisieren.

8. Runde Dichroismus Messung

  1. Spülen Sie das CD-Spektrometer mit N2 für 20 min.
    Hinweis: Die meisten CD-Spektrometer benötigen Spülung mit N2 vor der Zündung der Lampe. Dokumentation für den CD-Spektrometer.
  2. Legen Sie die Bandbreite, Scanbereich und Erwerb Schritt.
    Hinweis: Der Scanbereich richtet sich nach den optischen Eigenschaften des AuNRs, die abhängig von der Größe der AuNRs.
  3. Maßnahme-Rohling mit Puffer.
  4. Messen Sie die CD-Spektren von Origami-AuNR Proben (Abbildung 7).
    Hinweis: Verwenden Sie Quart oder Glas-Küvetten für CD-Messung. Plastische-Küvetten sind ungeeignet für CD-Spektroskopie. Auch erlauben die meisten CD-Spektrometer die simultane Erfassung der Absorption und CD-Daten.

Ergebnisse

TEM Bilder von DNA Origami Vorlagen, AuNRs und endgültige Origami-AuNR Baugruppen werden in Abbildung 4, Abbildung 5und Abbildung 6A, bzw. angezeigt. Aufgrund ihrer Bindung Vorliebe an TEM Netze gelten Origami-AuNR Baugruppen in der Regel als parallel Origami Bundles und Stangen(Abbildung 6). Thermischen Tempern ist für die korrekte Ausrichtung des AuNRs auf Origami Vorlagen (Abbildung 6A, B) erforderlich. Das Protokoll ermöglicht hohe Erträge der Versammlung des AuNRs in chiralen Metamolecules mit starken plasmonische CD Antworten (Abbildung 7).

Temperatur (° C)Zeit
8015 min
79 - 711 ° C/1 min
70 - 661 ° C/5 min.
65 - 601 ° C/30 min
59 - 371 ° C/60 min
36 - 301 ° C/15 min
29 - 201 ° C/5 min.
20Halten

Tabelle 1: Temperaturen und Preise für die thermische Glühen von DNA Origami Vorlagen.

Temperatur (° C)Zeit (min)
40130
36180
32180
22Halten

Tabelle 2: Temperaturen und Haltezeiten für das Glühen von AuNRs und DNA Origami Vorlagen. Die Abkühlgeschwindigkeit zwischen den Schritten wird auf 0,1 ° C/min eingestellt. Die DNA-Origami-AuNR Proben sind unter Schütteln bei 400 u/min geglüht.

figure-results-1
Abbildung 1 : Gestaltung von DNA Origami-templated chiralen Metamolecules. (A) Identifizierung der gewünschten relativen räumlichen Anordnung der gold Laptops (AuNRs) und eine geeignete Form der DNA Origami Vorlage. (B) schätzen die Strukturparameter von AuNRs (D-AuNR, LAuNR) und die Origami-Vorlage (WOrigami, LOrigami, Θ). Suchen Sie die ungefähren Positionen der Heftklammern, die weitere Änderung benötigen. (C) Design von DNA Origami Vorlagen mit CaDNAno. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-2
Abbildung 2 : Die Agarose-Gelelektrophorese Origami. (A) Reinigung mit 1 % Agarose Gelelektrophorese für 2 h bei 80 V. (B) Charakterisierung mit 2 % Agarose-Gelelektrophorese für 4 h bei 80 V. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

figure-results-3
Abbildung 3 : Die Agarose-Gel-Elektrophorese Reinigung des Origami-AuNRs. Gel (0,7 %) wurde für 3,5 h bei 80 V für die Proben nach dem Montageverfahren mit verschiedenen DNA-AuNR-Origami-Verhältnisse (20:1, 5:1) und Proben (DNA-AuNRs-Origami-Verhältnis 10:1) mit/ohne Glühen Verfahren ausgeführt. Für TEM-Bilder der Proben in Bands 1, 2 und 3 siehe Abbildung 6. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-4
Abbildung 4 : Vertreter TEM Bild der DNA Origami Vorlagen. Die Origami-Struktur besteht aus zwei 14-Helix-Bündel (80 nm X 16 nm X 8 nm) durch den Strang Gerüst miteinander verknüpft. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-5
Abbildung 5 : Vertreter TEM Bild von der AuNRs. Die durchschnittlichen Abmessungen der synthetisierten AuNRs sind 70 x 30 nm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-6
Abbildung 6 : TEM Bilder von Origami-AuNR Baugruppen. (A) AuNR Dimere auf Origami nach Glühen (Band 1 in Abbildung 3). (B) AuNR Dimere auf Origami ohne glühen (Band 2 in Abbildung 3). (C) Origami-AuNR Aggregate (band 3 in Abbildung 3). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

figure-results-7
Abbildung 7 : CD-Spektren von Origami-AuNR Baugruppen. Die CD-Spektren von geschlossenen Strukturen (die Origami Vorlagen festgelegten Sperre Stränge in eine rechtshändige Konfiguration mit 50° zwischen zwei Origami-Bündel) und die offene Struktur (die Origami Vorlagen ohne Sperre Stränge). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Diskussion

Das Protokoll wird den gesamten Workflow Design, Montage, Reinigung und Charakterisierung von DNA Origami-basierte chiralen Versammlungen der AuNRs eingeführt. Im Protokoll verwendeten DNA Origami Vorlagen eignen sich besonders für die Herstellung von Reize reagierende Baugruppen. Verschiedene Arten von Reaktionen und functionalizes in der Schloss-Stränge, die Definition der chiralen des Origami Vorlage (Abbildung 1B)24,25,26,31eingebaut werden können. Bei statischen Baugruppen sind einfachere Block-Form Vorlagen oft ausreichend14,45,46,47.

Die DNA Origami basierenden Ansatz für die Herstellung von plasmonische Nanostruktur erbt Einschränkungen der DNA Origami Technik48. Die Größe der Origami Vorlagen wird durch die Größe des Teilprogramms Gerüst in der Regel begrenzt. Die Stabilität der DNA-Strukturen ist unter Gesetz-Salz Bedingungen reduziert. Die Kosten für synthetische Grundnahrungsmittel Stränge nach wie vor eher hoch. Jedoch dürften den letzten Entwicklungen im Bereich der strukturellen DNA-Nanotechnologie zur Überwindung dieser Einschränkungen49,50,51,52,53,54 , 55.

Im Vergleich zu anderen molekularen basierende Ansätze zur Generierung von chiralen Versammlungen der AuNRs34,35,36,37, bietet DNA-Origami ein hohes Maß an räumliche Präzision und Programmierbarkeit.

Um zuverlässige und reproduzierbare optische Antworten von chiralen Baugruppen zu erreichen, empfehlen wir die Protokolle für AuNR Synthese40, Anpassung, da die Qualität und die optischen Eigenschaften der kommerziellen Produkten zwischen den einzelnen Chargen variieren. Zusätzliche glühen (Schritt 6.2) ist oft entscheidend für die Sicherstellung der korrekten Befestigung des AuNRs an DNA Origami Vorlagen (Abbildung 6).

Schließlich ist das hier beschriebene Protokoll nicht auf chirale Baugruppen beschränkt. DNA-Origami bietet eine sehr flexible Plattform für die Herstellung von komplexen plasmonische Nanostrukturen9,10.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Autoren danken für ihre Hilfe mit CD-Spektrometer S. Voutilainen. Die Autoren erkennen die Bereitstellung von Einrichtungen und technischen Support von Aalto Universität OtaNano - Nanomicroscopy-Center (Aalto-NMC). Diese Arbeit wurde unterstützt von der Academy of Finland (Grant 308992) und der Europäischen Union Programm Horizont 2020 Forschung und Innovation unter Marie Skłodowska-Curie Finanzhilfevereinbarung Nr. 71364.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
2,6-DihydroxybenzoesäureSigma-AldrichD109606-2598+%
AgNO3Alfa AesarAA114141499,90%
Blaulicht-Transilluminator Nippon GeneticsFG-06FastGene LED Transilluminator
Bromophenol BlueAcros Organics 403160050Für Agarorose-Gel  Ladepuffer
ZentrifugalfiltereinheitenMerck Millipore42600DNA-Extraktion aus Agarose
Chirascan CD-Spektrometer Küvette für angewandte Photophysik
 Hellma 105-202-85-40Quarz SUPRASIL
DNA-Lobind-RöhrchenEppendorf30108051
Eppendorf Biospektrometer Eppendorf6135000904
Eppendorf ThermoMixer CEppendorf5382000015
Ficoll 400Thermo Fisher ScientificBP525-10Polysaccharose 400 (für Agarorose-Gel  Ladepuffer)
Gelelektrophorese-SetsThermo Fisher Scientific
Gel ImagerBio-RadGel Doc XR+ System 
HAuCl4• 3H2OAlfa AesarAA364000699.99%
HCl ScharlauAC074410001M
Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB)Sigma-AldrichH9151-100BioXtra, 98+%
L(+)-ascorbinsäureAcros Organics40147100099+%
M13p7560 GerüststrangTilibit nanosystems
MgCl2• 6H2OSigma-AldrichM2670-500BioXtra, 99+%
NaBH4Acros Organics20005025099%
NaClSigma-AldrichS7653-500BioXtra, 99,5+%
NaOHSigma-AldrichS8045-500BioXtra, 98+%
ParafilmSigma-AldrichP7668-1EAPARAFILM M
PBS-Puffer (10X)Thermo Fisher ScientificBP3991Molekularbiologie
ProFlex PCR-SystemThermo Fisher Scientific4484073
Natriumdodecylsulfat (SDS)Sigma-Aldrich74255-25099+%
StapelsträngeThermo Fisher Scientific
Sybr SafeInvitrogen S33102Für DNA-Färbung
TBE-Puffer (10X)Invitrogen15581-044Molekularbiologie
TE-Puffer (10X)Thermo Fisher ScientificBP24771Molecular Biology
TEMFEIFEI Tecnai F12
Thiol-funktionalisiert  ssDNA 
Tris(2-carboxyethyl)phosphinhydrochlorid (TCEP-HCl)Thermo Fisher ScientificPI20491
UltraPure AgaroseInvitrogen 16500-100
Reinstwasser (Typ 1)Milli-Q Direct 8 System
Uranyl FormateTebu-bio24762-1
Weißlicht-TransilluminatorUVPTW-26
Biomers.net

Referenzen

  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).

Nachdrucke und Genehmigungen

Schlagwörter

TEM BildgebungCD SpektroskopieNanopartikel AssemblierungAgarose GelelektrophoreseUV Vis SpektrometerZentrifugalfiltration
Montage von Gold Laptops in chiralen plasmonische Metamolecules mit DNA Origami Vorlagen
Kontakt
Rückmeldung an Ihre Bibliothek

Datenschutz

Nutzungsbedingungen

Richtlinien

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten.