Diseño de un Robot Bio-respuesta a partir del ADN Origami

El objetivo general de este procedimiento es diseñar un dispositivo robótico a partir de origami de ADN utilizando el software CAD nano. Esto se logra primero instalando CAD nano y utilizando el programa para delinear la forma general del robot. El segundo paso consiste en diseñar la trayectoria del hilo andamio.

A continuación, se insertan y editan las hebillas. El paso final consiste en configurar las características de control, incluyendo el elemento transportado, los sitios de unión y las compuertas. Finalmente, se genera una lista de fragmentos de ADN para su pedido antes del ensamblaje.

La principal ventaja de esta técnica es que simplifica y estandariza el diseño de objetos de origami de ADN para diversas aplicaciones. Realizando el procedimiento estará Alad Bei, un investigador posdoctoral, trabajando en la dinámica de robots de origami de ADN en mi laboratorio. Para comenzar este procedimiento, descargue e instale CAD nano dos y Autodesk Maya 2012.

Según las instrucciones en http slash slash cad nano. org, la interfaz de diseño de CAD nano dentro de Maya incluye tres paneles. El panel superior es la vista de red, donde inicialmente se define la forma.

Este panel permite acciones a nivel de doble hélice y proporciona una vista en sección de la forma. El panel inferior es el panel de edición, que permite acciones a nivel de base individual. El panel derecho es un modelo 3D en tiempo real generado por Maya de la forma.

Haga clic en el icono de panal para acercar y alejar la red. En el panel superior, esto puede hacerse con el mouse. Desplácese hacia arriba y hacia abajo respectivamente.

Para comenzar, dibuje la sección de la forma deseada en el panel izquierdo. Cada círculo representa un DN doble, una hélice; para seleccionar las hélices que formarán la figura, haga clic izquierdo simplemente en su centro. Continúe hélice por hélice hasta que toda la forma quede delineada.

Alternativamente, la forma se puede dibujar presionando el botón izquierdo del ratón y trazando continuamente el contorno de la forma. Observe el panel inferior. Cada hélice está representada por dos filas de cuadrados.

Las filas representan las dos cadenas de la doble hélice. Con cada cuadrado representando una base, la barra vertical naranja determina dónde se llevan a cabo las acciones de edición a lo largo de una hélice. La posición de la base a lo largo de la cuadrícula aparece como un número encima de la barra naranja.

La longitud predeterminada del marco de hélice es de 42 bases. La longitud se puede extender haciendo clic en uno de los iconos de flecha grises en la esquina superior derecha del panel de edición y seleccionando la longitud de extensión. Para trazar la trayectoria real de la hebra andamio a lo largo de la forma, presione el botón del ratón.

Comience desde la primera hélice y continúe de forma consecutiva por todas las hélices, siguiendo el mismo orden en que se seleccionaron inicialmente. Dibuje un rectángulo alrededor de todos los bordes más alejados a la izquierda del trayecto del andamio. Extienda el trayecto del andamio arrastrando los bordes seleccionados como un grupo hacia el lado izquierdo de la cuadrícula.

Después de repetir este proceso hasta que la trayectoria se extienda adecuadamente e identificar los iconos de conexión según se describe en el texto escrito, prepárese para crear cruces. Haga clic con el botón izquierdo en el icono de conexión deseado. Se generará un cruce del andamio, lo que significa que el andamio cruza en este punto de hélice a hélice.

Repita este proceso hasta que el andamio recorra todas las hélices y forme un bucle cerrado que abarque toda la forma, sin dejar regiones aisladas del resto de esta estructura. El robot descrito se abre en respuesta a una entrada biológica definida para exponer su carga útil. La apertura ocurre de manera similar a una cáscara, con dos mitades que giran alrededor de dos ejes.

Los ejes se forman mediante cruces entre las hélices 29 y 30 y entre las hélices 61 y cero, que son los únicos cruces entre esas mitades y están posicionados únicamente en o cerca del borde izquierdo de la cuadrícula. El borde derecho contendrá las hebras del paso. Borre el cruce existente entre las hélices 29 y 30.

Para eliminar el entrecruzamiento, haga clic en el punto de inflexión en cualquiera de las hebras. Esto deja una rotura en ambas hebras donde antes estaba el entrecruzamiento. Para unir las roturas, mantenga presionada la tecla Mayús y haga clic en cada rotura; cree un nuevo entrecruzamiento entre las hélices 29 y 30 lo más cerca posible del borde izquierdo de la cuadrícula.

Luego, cree un nuevo entrecruzamiento entre las hélices 61 y cero lo más cerca posible del borde izquierdo de la cuadrícula, y defina cuatro sitios de carga orientados hacia el lado interno del robot. Los sitios de carga se ramificarán a partir de las hélices 3, 27, 34 y 58. Para cada sitio en el panel superior, haga clic en la hélice inmediatamente adyacente a estas hélices que esté orientada hacia el lado interno.

Esto agregará las hélices a la cuadrícula en el panel inferior. Aún no haga clic secundario en estos lyes para agregar y editar las puntillas. Primero haga clic en puntilla automática.

El software agregará automáticamente secuencias de grapas en varios colores. Observe que se han agregado grapas a la forma 3D en el panel derecho. Los colores de las grapas son consistentes en los paneles inferior y derecho.

Además, hay un indicador en la esquina inferior izquierda de la interfaz, que señala que las puntadas no pueden ser demasiado largas, demasiado cortas o circulares para poder editarse automáticamente. Para cumplir con estos criterios, haga clic en "dividir automáticamente"; se abrirá un cuadro de diálogo solicitando parámetros definidos por el usuario para esta acción. Utilice los parámetros predeterminados y haga clic en aceptar. El software dividirá las puntadas según estos parámetros en la medida de lo posible.

Elimine todos los cruces de las hebillas entre las hélices 29 y 30, y entre las hélices 61 y cero, para permitir que estas hélices se separen y que el robot pueda abrirse. La eliminación de los cruces de las hebillas requerirá alguna edición manual para corregir las hebillas que resulten demasiado cortas o irracionales como consecuencia de esta acción. Para hacerlo correctamente, siga las instrucciones del protocolo de texto: seleccione la costura, luego las dos hebillas en la hélice 29 manteniendo presionada la tecla Mayús y haciendo clic en la mella entre ellas.

De manera similar, los tres clips en la hebra 30 parecen un solo clip; los clips pueden extenderse o acortarse manualmente haciendo clic en un extremo y arrastrándolo según se desee. Tenga cuidado de no circularizar ningún clip. Repita este proceso para los HELOC 0 y 61 y edite manualmente todos los clips en cada hélice.

Localice las grapas dibujadas con una línea gruesa, lo que significa que requieren edición adicional. Revise cada una y corrija según sea necesario. Por ejemplo, las grapas que son demasiado cortas pueden borrarse o alargarse, si es posible.

En segundo lugar, haga clic en las hélices del sitio de carga en el panel superior y extienda los fragmentos resultantes de la hebra andamio en el panel inferior haciendo clic en un borde y arrastrándolo según desee. Agregue manualmente las grapas a estos fragmentos de andamio colocando la barra vertical naranja en la posición deseada a lo largo del andamio, pasando sobre las hélices guía en el panel izquierdo manteniendo presionada la tecla Mayús y haciendo clic. Esto agregará un precursor de grapa en cada hélice.

Extienda los precursores de las puntillas hasta su longitud completa también. Al hacer clic y arrastrar, localice los iconos de puente rojos que indican puntos de cruce fuertes entre la hebra guía y el chasis. Elija la ubicación más conveniente para introducir un cruce y haga clic en el icono de puente. Una ubicación conveniente requiere una edición mínima de las puntillas existentes en el chasis.

En la hélice guía, elimine la parte del clip que no forma parte del sitio de carga y acorte la parte participante a la longitud deseada. La longitud deseada debe proporcionar especificidad para la carga de diferentes tipos de material y resistencia de unión. Por lo general, una cola de 18 mer debería ser adecuada.

Asegúrese de que la grapa permanezca dibujada mediante una línea delgada. De lo contrario, edítela hasta que esté dentro del chasis. Edite las grapas modificadas según sea necesario.

Borre la guía, dejando únicamente la extensión de la grapa. Repita estos pasos para todos los sitios de carga para diseñar las hebras de marcha. Primero, localice las posiciones adecuadas para las hebras de marcha.

Estos serán los staples en las hélices 29, 30, 61 y cero. Por ejemplo, examine la región de paso de 29 a 30. Hay cadenas de staples convenientes, adyacentes a las hélices 29 y 30 en el lado derecho de la cuadrícula, que pueden utilizarse como cadenas de compuerta.

Tenga en cuenta que miran en direcciones opuestas. Haga clic en el borde de una de las hebras potenciales de marcha para extenderla fuera de la forma. Si el borde se encuentra sobre un cruce de andamio, la selección se podría simplificar asegurándose de que solo las hebras auxiliares sean seleccionables.

Al hacer clic fuera de scaf en la barra de herramientas seleccionable en la parte superior derecha de la interfaz, extienda ambas grapas para formar las hebras de la compuerta. Edite las grapas. Si esta extensión lo requiere, repita esto para las hebras de la compuerta de las hélices cero y 61.

Para elegir la secuencia del andamio, haga clic en la herramienta de búsqueda. Coloque el cursor en cualquier parte de la hebra andamio y haga clic; se abrirá un cuadro de diálogo que solicitará elegir la fuente de ADN del andamio. En el cuadro de diálogo, haga clic en M13 MP18. Observe que la secuencia de ADN elegida se ha agregado a las hebras andamio y estabilizadoras en el panel inferior.

Finalmente, exporte la secuencia de las hebillas como una hoja de cálculo haciendo clic en exportar en la barra de herramientas superior y eligiendo un nombre de archivo de destino para la lista de hebillas. Haga clic en guardar. Este video ha demostrado un proceso paso a paso para el diseño de un nano robot de origami de ADN.

Primero se delineó la sección transversal de la forma. A continuación, se realizó la edición automática de los fragmentos de la hebra andamio y se completó todo el recorrido de la hebra andamio. Aquí se muestra una vista general de los paneles inferiores y derecho, que demuestra cómo el modelo 3D cambia en tiempo real junto con las acciones de edición.

Las hebras sujetadoras se agregaron automáticamente, como se puede observar en el plano después de la acción de grapado automático. En esta imagen, los colores de las hebras sujetadoras en el panel inferior y en el panel derecho son consistentes. Luego, las hebras sujetadoras se dividieron según parámetros definidos por el usuario, tal como se muestra aquí en el plano tras la acción de frenado automático.

A continuación, se editaron manualmente las hebras complementarias para adaptarlas a la función deseada del dispositivo. En todo el espacio entre las hélices 29 y 30 se observa que no hay cruces que conecten ambas en este plano. Tras la edición manual, en la imagen inferior se muestra una vista de las hebras complementarias del sitio de carga.

Después de eliminar las HELOC guía, que ya no son necesarias, esta imagen muestra la extensión de dos grapas, que se utilizarán como cadenas GA provenientes de las HELOC 29 y 30. Tenga en cuenta que las dos cadenas enfrentan direcciones opuestas, lo cual es obligatorio para la formación del dúplex de marcha. Esta es la imagen de microscopía electrónica de transmisión (TEM) del modelo final diseñado en este procedimiento.

La muestra se tiñe con formato urinal y se imagina en un microscopio electrónico de transmisión GL exactamente como se describió en informes anteriores por los autores. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo diseñar un robot a partir de origami de ADN para cualquier aplicación de su elección.