Name: Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Lernen Sie die Konstruktion bio-responsiver DNA-Origami-Roboter mit CAD-Nano-Software. Diese Methode ermöglicht präzises Design nanoskaliger Strukturen für biotechnologische Anwendungen.

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Die Autoren danken S. Douglas für extrem wertvolle Diskussionen und Ratschläge, und alle Mitglieder der Bachelet Labor für hilfreiche Diskussionen und Arbeit danken. Diese Arbeit wird durch Zuschüsse aus der Fakultät für Life Sciences und Institut für Nanotechnologie und Advanced Materials an der Bar-Ilan-Universität unterstützt.

<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>
<li>Ellington, A. D., Szostak, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+selection+of+RNA+molecules+that+bind+specific+ligands%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands.</a> Nature. 346, 818-822 (1990).</li>
<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>
<li>Benenson, Y., Gil, B., Ben-Dor, U., Adar, R., Shapiro, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+autonomous+molecular+computer+for+logical+control+of+gene+expression%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">An autonomous molecular computer for logical control of gene expression.</a> Nature. 429, 423-429 (2004).</li>
<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>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

DNA-Origami ermöglicht es uns, genau definierten Objekten mit beliebigen Eigenschaften im Nanobereich herzustellen. Ein wichtiger nächster Schritt wäre die Integration der Funktion werden in dieser Entwürfe. Während viele Anwendungen und Herausforderungen, die mit dieser Technik behandelt werden könnten, gibt es ein besonderes Interesse an der Herstellung von therapeutischen und wissenschaftlichen Roboter aus DNA-Origami, da diese eine natürliche Milieu der DNA darstellen. DNA bereits Schnittstellen zu molekularen Masch...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>Zuerst muss ein Studenten-/Akademikerkonto erstellt werden (siehe plattformspezifische Anweisungen in <a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (Software)</td><td>(Open Source)</td><td></td><td>Software für das Design von DNA-Origami-Strukturen <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http:// cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (Webseite)</td><td>(Open Source)</td><td></td><td>Webseite mit einem Simulator von DNA-Origami-Formen <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

entwerfen einer bio-responsive robot von dna origami

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nukleinsäuren sind erstaunlich vielseitig. Neben ihrer natürlichen Funktion als Speichermedium für biologische Informationen 1, sie in parallele Datenverarbeitung 2,3 verwendet werden können, erkennen und binden molekularen oder zellulären Targets 4,5, chemische Reaktionen katalysieren 6,7 und erzeugen berechnet Antworten in einer biologischen System 8,9. Wichtig ist, dass Nukleinsäuren in 2D-und 3D-Strukturen 10-12 Selbstorganisation programmiert werden, so dass die Integration aller dieser bemerkenswerten Merkmale in einem einzigen Roboter verbindet die Erfassung der biologischen Signale auf einen vorgegebenen Antwort, um eine gewünschte Wirkung auszuüben. Erstellen von Formen von Nukleinsäuren wurde zuerst von Seeman 13 vorgeschlagen, und einige Variationen zu diesem Thema wurden seitdem realisiert unter Verwendung verschiedener Techniken 11,12,14,15. Allerdings ist die wichtigste vielleicht die einzige von Rothemund vorgeschlagen, genannt eingerüstet DNA-Origami16. In dieser Technik wird das Falten eines langen (&gt; 7.000 Basen) einzelsträngige DNA &quot;Gerüst&quot; zu einer gewünschten Form von Hunderten von kurzen komplementären Stränge als &#39;Klammern&#39; gerichtet. Folding erfolgt durch Tempern Rampe durchgeführt. Diese Technik wurde erfolgreich in der Schaffung einer Vielfalt von 2D-Formen mit bemerkenswerter Präzision und Robustheit unter Beweis gestellt. DNA-Origami wurde später in 3D sowie 17,18 verlängert. Das aktuelle Papier wird auf dem caDNAno 2.0 Software 19 von Douglas und Kollegen entwickelt konzentrieren. caDNAno ist eine robuste, benutzerfreundliche CAD-Tool ermöglicht das Design von 2D-und 3D-DNA-Origami-Formen mit vielseitigen Funktionen. Der Design-Prozess beruht auf einem systematischen und genauen Abstraktion Regelung für DNA-Strukturen, so dass es relativ einfach und effizient. In diesem Beitrag zeigen wir den Aufbau eines DNA-Origami-nanorobot, das kürzlich 20 beschrieben. Dieser Roboter ist &#39;Roboter&#39; in dem Sinne, dass es Links zu Erfassen Betätigung, um eine Aufgabe zu erfüllen. Wir erläutern verschiedene Erfassungsschemata in die Struktur integriert werden können, und wie diese um einen gewünschten Effekt weitergeleitet werden. Schließlich verwenden wir Cando 21 um die mechanischen Eigenschaften der entworfenen Form simulieren. Das Konzept, das wir diskutieren können, um mehrere Aufgaben und Einstellungen angepasst werden.

<html> Die Zahlen 1-25 sind Screenshots der caDNAno 2.0-Schnittstelle, die den Design-Prozess Schritt-für-Schritt. Der Querschnitt der Form wurde zuerst skizziert (Abbildung 3), gefolgt durch automatische Zugabe von Gerüst Strang Fragmente und Fertigstellung des gesamten Gerüst Pfad (Abbildung 7). Staple Stränge werden automatisch hinzugefügt (Abbildung 12), gebrochen nach benutzerdefinierten Parametern (Abbildung 14), und manuell bearbe...

DNA-Origami ist eine leistungsfähige Methode zur Herstellung nanoskaliger Objekte präzise durch die Programmierung der Selbstorganisation von DNA-Molekülen. Hier beschreiben wir, wie DNA-Origami genutzt werden, um einen Roboter Roboter erfassen kann biologische Signale und reagiert durch Shape Shifting, anschließend auf eine gewünschte Wirkung weitergeleitet zu entwerfen.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, ein robotisches Gerät aus DNA-Origami mithilfe der CADnano-Software zu entwerfen. Dies wird erreicht, indem zunächst CADnano installiert und zur Erstellung der Grundform des Roboters verwendet wird. Der zweite Schritt besteht darin, den Verlauf des Scaffold-Strangs zu entwerfen.Danach werden die Klammern eingefügt und bearbeitet. Der letzte Schritt besteht in der Festlegung der Kontrollelemente, einschließlich Nutzlast, Anheftungsstellen und Gatter. Letztendlich wird eine Liste der DNA-Bauteile zur Bestellung vor der Zusammenführung erstellt.Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie die Konstruktion von DNA-Origami-Objekten für vielfältige Anwendungen vereinfacht und standardisiert. Die Durchführung des Verfahrens wird Alad Bei, ein Postdoktorand, übernehmen, der in meinem Labor an der Dynamik von DNA-Origami-Robotern forscht. Um mit dem Verfahren zu beginnen, laden Sie CADnano 2 und Autodesk Maya 2012 herunter und installieren Sie diese Programme.Entsprechend der Anweisungen auf http://cadnano.org umfasst die Designoberfläche von CADnano innerhalb von Maya drei Bereiche. Der obere Bereich ist die Gitteransicht, in

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

DNA-Origami ist eine leistungsfähige Methode zur Herstellung präziser nanoskaliger Objekte durch Programmierung der Selbstorganisation von DNA-Molekülen. Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Faltung eines bioresponsiven Roboters aus DNA-Origami, seine Aufreinigung und Negativfärbung für die transmissionselektronenmikroskopische Bildgebung (TEM).

Falten und Charakterisierung eines Bio-responsive Robot von DNA-Origami

DNA-Kacheln ist ein effektiver Ansatz, um programmierbare Nanostrukturen herzustellen. Wir beschreiben die Protokolle zur Konstruktion komplexer zweidimensionaler Formen durch die Selbstorganisation von einzelsträngigen DNA-Kacheln.

Die Selbstorganisation von Complex zweidimensionale Formen von Einzelstrang-DNA-Fliesen

Reproduzierbare Reinigungsprozesse für Substrate, die in der DNA-Origami-Forschung verwendet werden, werden beschrieben, einschließlich der Tisch-RCA-Reinigung und der Derivatisierung von Siliziumoxid. Protokolle für die Oberflächenvorbereitung, DNA-Origami-Abscheidung, Trocknungsparameter und einfache Versuchsaufbauten werden veranschaulicht.

Herstellung von Mica und Siliziumsubstraten für die DNA-Origami-Analyse und Experimentieren

Hier ist ein automatisierte Workflow auszuführenden modulare DNA "Gerät" Montage mit einem modularen DNA Montage Klonmethode auf Liquid-Handling-Roboter präsentiert. Das Protokoll verwendet eine intuitive Software-Werkzeug zur Erzeugung von liquid Handler Auswahllisten für kombinatorische DNA Bibliothek Gerätegeneration, die wir zeigen zwei liquid Handling-Plattformen verwenden.

Automatisierte Roboter Liquid Handling Versammlung Modular DNA-Geräte

Wir beschreiben das ausführliche Protokoll für Konstruktion, Simulation, nass-Laborversuche und Analyse für eine rekonfigurierbare DNA Akkordeon Rack 6 mal 6 Maschen.

Design und Synthese eines rekonfigurierbaren DNA-Akkordeon-Racks

Hier ist ein Protokoll zum Schutz der DNA Origami Nanostrukturen in Mg-erschöpft und Nuklease-Rich Media mit natürlichen kationischen Polysaccharid Chitosan und synthetischen linearen Polyethyleneimine (LPEI) Beschichtungen vorgestellt.

Gentherapie inspiriert Polykation Beschichtung zum Schutz der DNA Origami Nanostrukturen

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.

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

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung diskreter und genauer anorganischer Nanostrukturen auf Substraten, die DNA-Origami-Formen als Leitmotive verwenden. Die Methode wird durch die Erstellung von plasmonischen Gold-Bowtie-förmigen Antennen auf einem transparenten Substrat (Saphir) demonstriert.

DNA Origami-vermittelte Substrat Nanomusterung von anorganischen Strukturen für Sensoranwendungen

Ziel dieses Protokolls ist es, Ensembles molekularer Motoren auf DNA-Origami-Nanostrukturen zu bilden und die Ensemblemotilität mittels totaler interner Reflexionsfluoreszenzmikroskopie zu beobachten.

Produktion von Dynein und Kinesin Motor Ensembles auf DNA Origami Nanostrukturen für die Einzelmolekülbeobachtung

Ein bioinspiriertes Gerüst wird durch eine weiche Photolithographie-Technik mit mechanisch robusten und elektrisch leitfähigen Hydrogelen hergestellt. Die mikrogemusterten Hydrogele bieten eine richtungsweisende Kardiomyozytenzellausrichtung, was zu einer maßgeschneiderten Betätigungsrichtung führt. Flexible Mikroelektroden sind auch in das Gerüst integriert, um elektrische Steuerbarkeit für ein selbstwirkendes Herzgewebe zu gewährleisten.

Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden

Wir beschreiben das Engineering einer neuartigen DNA-gebundenen T7-RNA-Polymerase zur Regulierung von In-vitro-Transkriptionsreaktionen. Wir diskutieren die Schritte für die Proteinsynthese und -charakterisierung, validieren die Proof-of-Concept-Transkriptionsregulation und diskutieren ihre Anwendungen in den Bereichen Molecular Computing, Diagnostik und molekulare Informationsverarbeitung.

DNA-Tethered RNA Polymerase für programmierbare In-vitro-Transkription und molekulare Berechnung

Lernen Sie die Konstruktion bio-responsiver DNA-Origami-Roboter mit CAD-Nano-Software. Diese Methode ermöglicht präzises Design nanoskaliger Strukturen für biotechnologische Anwendungen.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

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