Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mit Hilfe der CAD-Nano-Software ein robotisches Gerät aus DNA-Origami zu entwerfen. Dies wird erreicht, indem zunächst CAD nano installiert und damit die allgemeine Form des Roboters skizziert wird. Der zweite Schritt besteht darin, den Verlauf des Gerüststrangs zu entwerfen.

Als nächstes werden die Klammern eingefügt und bearbeitet. Der letzte Schritt ist das Festlegen von Steuerungsfunktionen, einschließlich Nutzlast, Anhangswebsites und Gates. Abschließend wird eine Liste von DNA-Teilen erstellt, die vor der Montage bestellt werden können.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie das Design von DNA-Origami-Objekten für verschiedene Anwendungen vereinfacht und standardisiert. Alad Bei, ein Postdoc, wird das Verfahren demonstrieren, der in meinem Labor an der Dynamik von DNA-Origami-Robotern arbeitet. Um dieses Verfahren zu starten, laden Sie CAD nano two und Autodesk Maya 2012 herunter und installieren Sie es.

Gemäß den Anweisungen auf http slash slash cad nano.org umfasst die Designoberfläche von CAD nano innerhalb von Maya drei Panels. Der obere Bereich ist die Gitteransicht, in der die Form zunächst umrissen wird.

Diese Gruppe ermöglicht Doppelhelix-Ebenenaktionen und bietet eine Schnittansicht der Form. Das untere Bedienfeld ist das Bearbeitungsfenster, das einzelne Aktionen auf Basisebene ermöglicht. Das rechte Feld ist ein von Maya generiertes Echtzeit-3D-Modell der Form.

Klicken Sie auf das Wabensymbol, um das Gitter zu vergrößern, zu vergrößern und zu verkleinern. Im oberen Bereich kann dies mit der Maus erfolgen. Scrollen Sie nach oben bzw. unten.

Zeichnen Sie zunächst den Abschnitt der gewünschten Form auf der linken Seite. Jeder Kreis stellt einen doppelten DN dar, eine Helix, um die Helixe auszuwählen, die die Form bilden, klicken Sie einfach mit der linken Maustaste auf ihren Mittelpunkt. Fahren Sie mit der Spirale für die Spirale fort, bis die gesamte Form umrissen ist.

Alternativ kann die Form gezeichnet werden, indem Sie die linke Maustaste drücken und den Umriss der Formen kontinuierlich zeichnen. Beobachten Sie die untere Blende. Jede Helix wird durch zwei Reihen von Quadraten dargestellt.

Die Reihen sind die beiden Stränge der Doppelhelix. Da jedes Quadrat eine Basis darstellt, bestimmt der orangefarbene vertikale Balken, wo Bearbeitungsaktionen entlang einer Helix stattfinden. Die Basisposition entlang des Rasters wird als Zahl über dem orangefarbenen Balken angezeigt.

Die Standardlänge des Helix-Gerüsts beträgt 42 Basen. Die Länge kann verlängert werden, indem Sie auf eines der grauen Pfeilsymbole in der oberen rechten Ecke des Bearbeitungsfensters klicken und die Länge der Verlängerung auswählen. Um den tatsächlichen Pfad des Gerüststrangs durch das Shape zu plotten, drücken Sie die Maustaste.

Beginnen Sie mit der ersten Helix und gehen Sie kontinuierlich über alle Helices in der gleichen Reihenfolge, in der sie ursprünglich ausgewählt wurden. Zeichnen Sie ein Rechteck um alle äußersten linken Kanten des Gerüstpfads. Verlängern Sie den Gerüstpfad, indem Sie die ausgewählten Kanten als Gruppe an die linke Seite des Rasters ziehen.

Nachdem Sie diesen Vorgang wiederholt haben, bis der Pfad ordnungsgemäß verlängert ist, und die Brückensymbole wie im geschriebenen Text beschrieben identifiziert haben, bereiten Sie sich darauf vor, Kreuzungen zu erstellen, um Kreuzungen zu erstellen. Klicken Sie mit der linken Maustaste auf das Brückensymbol Ihrer Wahl. Es wird eine Gerüstkreuzung generiert, d.h. das Gerüst kreuzt sich an dieser Stelle von Helix zu Helix.

Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Gerüst alle Helices durchlaufen hat, und erstellen Sie eine geschlossene Schleife, die sich über die gesamte Form erstreckt und keine Bereiche übrig lässt, die vom Rest dieser Form isoliert sind. Der beschriebene Roboter öffnet sich als Reaktion auf einen definierten biologischen Input, um seine Nutzlast freizulegen. Die Öffnung erfolgt schalenartig mit zwei Hälften, die sich um zwei Achsen drehen.

Die Achsen werden durch Kreuzungen zwischen den Spiralen 29 und 30 sowie 61 und Null gebildet, die die einzigen Kreuzungen zwischen diesen Hälften sind und nur am linken Rand des Gitters oder in der Nähe des linken Randes positioniert sind. Die rechte Kante enthält die Gangstränge. Löschen Sie die vorhandene Kreuzung zwischen den Helices 29 und 30.

Um die Überkreuzung zu löschen, klicken Sie auf den Kniepunkt in einem der beiden Fäden. Dadurch bleibt die Kerbe in beiden Strängen, wo sich früher die Kreuzung befand. Um die Kerben zu säumen, drücken Sie die Umschalttaste und klicken Sie auf die einzelnen Kerben, um eine neue Kreuzung zwischen den Helices 29 und 30 so nah wie möglich am linken Rand des Rasters zu erstellen.

Erstellen Sie dann eine neue Kreuzung zwischen den Helices 61 und Null so nah wie möglich am linken Rand des Gitters und definieren Sie vier Ladestellen, die der Innenseite des Roboters zugewandt sind. Die Verladestellen werden von den Helices 3, 27, 34 und 58 abzweigen. Klicken Sie für jeden Standort im oberen Bereich auf die Helix direkt neben diesen Helices, die zur internen Seite zeigt.

Dadurch werden die Helices zum Raster im unteren Bereich hinzugefügt. Klicken Sie noch nicht erneut auf diese Lagen, um Klammern hinzuzufügen und zu bearbeiten. Klicken Sie zuerst auf Automatisches Heften.

Die Software fügt automatisch Heftsequenzen in verschiedenen Farben hinzu. Beachten Sie, dass der 3D-Form im rechten Bereich Heftklammern hinzugefügt wurden. Die Klammerfarben sind für das untere und rechte Feld einheitlich.

Darüber hinaus befindet sich in der unteren linken Ecke der Benutzeroberfläche ein Indikator, der darauf hinweist, dass eine Heftklammer nicht zu lang, zu kurz oder kreisförmig sein darf, um Heftklammern automatisch zu bearbeiten. Um diese Kriterien zu erfüllen, klicken Sie auf Automatische Unterbrechung, es öffnet sich ein Dialogfeld, in dem Sie nach benutzerdefinierten Parametern für diese Aktion gefragt werden, verwenden Sie die Standardparameter und klicken Sie auf OK. Die Software bricht die Klammern nach diesen Parametern nach bestem Wissen und Gewissen.

Löschen Sie alle Klammerübergänge zwischen den Helices 29 und 30 sowie 61 und Null, damit sich diese Helices trennen und der Roboter öffnen kann. Das Löschen von Klammerübergängen erfordert eine manuelle Bearbeitung, um Klammern zu korrigieren, die durch diese Aktion zu kurz oder irrational werden. Um dies richtig zu tun, befolgen Sie die Anweisungen in der Textprotokollnaht, den beiden Klammern auf Helix 29, indem Sie die Umschalttaste drücken und auf den Kerbenpunkt zwischen ihnen klicken.

Ähnlich sehen die drei Klammern auf Strang 30 zu einer einzigen Klammer aus: Heftklammern können manuell verlängert oder gekürzt werden, indem Sie auf eine Kante klicken und diese wie gewünscht ziehen. Achten Sie darauf, keine Heftklammern in Umlauf zu bringen. Wiederholen Sie diesen Vorgang für die HELOCs Null und 61 und bearbeiten Sie manuell alle Klammern in jeder Helix.

Suchen Sie Klammern, die durch eine dicke Linie gezeichnet sind, was bedeutet, dass sie weiter bearbeitet werden müssen. Untersuchen Sie jeden einzelnen und korrigieren Sie ihn bei Bedarf. So können z.B. zu kurze Heftklammern nach Möglichkeit gelöscht oder verlängert werden.

Klicken Sie dann im oberen Bereich auf die Helices der Ladestelle und verlängern Sie die resultierenden Gerüststrangfragmente im unteren Bereich, indem Sie auf eine Kante klicken und sie wie gewünscht ziehen. Fügen Sie diesen Gerüstfragmenten manuell Klammern hinzu, indem Sie den orangefarbenen vertikalen Balken an der gewünschten Position entlang des Gerüsts platzieren, über die Führungsspiralen auf der linken Seite fahren, die Umschalttaste gedrückt halten und klicken. Dadurch wird an jeder Helix ein Klammervorläufer hinzugefügt.

Verlängern Sie auch die Klammervorläufer auf die volle Länge Suchen Sie durch Klicken und Ziehen die roten Brückensymbole, die auf einen lauten Übergang zwischen dem Führungsstrang und dem Chassis hinweisen. Wählen Sie den bequemsten Ort für die Einführung eines Crossovers und klicken Sie auf das Brückensymbol. Eine günstige Position erfordert nur eine minimale Bearbeitung der vorhandenen Klammern im Gehäuse.

Löschen Sie in der Führungswendel das Klammerteil, das nicht Teil der Ladestelle ist, und kürzen Sie das beteiligte Teil auf die gewünschte Länge. Die gewünschte Länge sollte sowohl die Spezifität für die Verladung verschiedener Arten von Ladung als auch die Bindungsstärke bieten. Normalerweise sollte ein 18-Mer-Schwanz in Ordnung sein.

Achten Sie darauf, dass die Klammer von einer dünnen Linie gezeichnet bleibt. Andernfalls bearbeiten Sie, bis es sich im Gehäuse befindet. Bearbeiten Sie die geänderten Heftklammern nach Bedarf.

Löschen Sie die Hilfslinie, sodass nur die Klammerverlängerung übrig bleibt. Wiederholen Sie diese Schritte für alle Ladestellen, um Gangstränge zu entwerfen. Suchen Sie zunächst die richtigen Positionen für die Gangstränge.

Dabei handelt es sich um Klammern auf den Spiralen 29, 30, 61 und Null. Untersuchen Sie zum Beispiel den Gangbereich von 29 bis 30. Auf der rechten Seite des Gitters befinden sich zweckmäßige Stapelstränge, die die Helices 29 und 30 flankieren und als Schnapperlitzen verwendet werden können.

Beachten Sie, dass sie in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Klicken Sie auf die Kante eines der potenziellen Gangstränge, um ihn außerhalb der Form zu verlängern. Wenn die Kante über einer Gerüstkreuzung liegt, kann die Auswahl vereinfacht werden, indem sichergestellt wird, dass nur die Klammern ausgewählt werden können.

Indem Sie in der auswählbaren Symbolleiste oben rechts auf der Benutzeroberfläche auf scaf klicken, verlängern Sie beide Klammern, um die Schnapperstränge zu bilden. Bearbeiten Sie die Heftklammern. Wenn diese Erweiterung dies erfordert, wiederholen Sie dies für die Schnapperstränge der Helices Null und 61.

Um die Gerüstsequenz auszuwählen, klicken Sie auf das Suchwerkzeug. Platzieren Sie den Cursor an einer beliebigen Stelle auf dem Gerüststrang und klicken Sie auf ein Dialogfeld, in dem Sie aufgefordert werden, die Gerüst-DNA-Quelle auszuwählen. Klicken Sie im Dialogfeld auf M 13 MP 18. Beachten Sie, dass die ausgewählte DNA-Sequenz zu den Gerüst- und Klammersträngen in der unteren Platte hinzugefügt wurde.

Exportieren Sie abschließend die Heftsequenz als Tabelle, indem Sie in der oberen Symbolleiste auf Exportieren klicken und einen Zieldateinamen für die Heftliste auswählen. Klicken Sie auf Speichern. Dieses Video zeigt einen Schritt-für-Schritt-Prozess für das Design eines DNA-Origami-Nanoroboters.

Hier wurde zunächst der Querschnitt der Form skizziert. Auf die Gliederung folgte die automatische Edition der Gerüststrangfragmente und die Fertigstellung des gesamten Gerüstweges. Hier sehen Sie eine allgemeine Ansicht des unteren und rechten Bereichs, die zeigt, wie sich das 3D-Modell in Echtzeit ändert, zusammen mit Bearbeitungsaktionen.

Heftstränge wurden automatisch hinzugefügt, wie in der Blaupause nach der automatischen Heftaktion zu sehen ist. In dieser Abbildung sind die Klammerfarben im unteren und rechten Bereich konsistent. Die Klammerstränge wurden dann nach benutzerdefinierten Parametern gebrochen, wie hier in der Blaupause nach der automatischen Bremswirkung gezeigt.

Anschließend wurden die Klammerstränge manuell bearbeitet, um die Klammern an die gewünschte Funktion des Gerätes anzupassen. Die gesamte Lücke zwischen Helices 29 und 30 zeigt, dass es in diesem Bauplan keine Kreuzungen zwischen den beiden gibt. Nach der manuellen Bearbeitung sehen Sie hier eine Ansicht der Heftklammern der Ladestelle, wie im unteren Bereich zu sehen.

Nach dem Entfernen der Führungs-HELOCs, die nicht mehr benötigt werden, zeigt dieses Bild die Verlängerung von zwei Klammern, die als GA-Stränge aus den HELOCs 29 und 30 verwendet werden. Beachten Sie, dass die beiden Stränge in entgegengesetzte Richtungen zeigen, was für die Bildung des Gangduplex zwingend erforderlich ist. Dies ist das TEM-Bild des endgültigen Modells, das in diesem Verfahren entworfen wurde.

Die Probe wird im Urinalformat gefärbt und in einem GL-Transmissionselektronenmikroskop genau so abgebildet, wie es in früheren Berichten der Autoren beschrieben wurde. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie einen Roboter aus DNA-Origami für eine Anwendung Ihrer Wahl entwerfen können.