Name: Diseño de un Robot Bio-respuesta a partir del ADN Origami (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Aprende a diseñar un robot bio-respuesta mediante origami de ADN utilizando el software CAD nano. Este método permite crear dispositivos nanométricos programables para aplicaciones biotecnológicas avanzadas.

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Los autores desean agradecer a S. Douglas para las discusiones y consejos muy valiosos, ya todos los miembros del laboratorio Bachelet útil para los debates y el trabajo. Este trabajo es apoyado por becas de la Facultad de Ciencias de la Vida y el Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad de Bar-Ilan.

<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>

Los autores no tienen nada que revelar.

Origami de ADN nos permite fabricar objetos definidos con precisión con funciones arbitrarias en la nanoescala. Un importante paso siguiente sería la integración de la función en estos diseños. Aunque hay muchas aplicaciones y desafíos pueden abordarse con esta tecnología, hay un interés particular en la fabricación de robots terapéuticos y científicos de origami de ADN, ya que representan un medio natural de ADN. ADN ya se interconecta con maquinaria molecular en las células como un medio de almacenamiento de la inform...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>Primero se debe crear una cuenta de estudiante/académico (consulte las instrucciones específicas de la plataforma en <a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (software)</td><td>(Código abierto)</td><td></td><td>Software para el diseño de estructuras de origami de ADN <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http:// cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (página web)</td><td>(Código abierto)Página</td><td></td> web <td>que ejecuta un simulador de formas de origami de ADN <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

diseño de un robot bio-respuesta a partir del adn origami

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Los ácidos nucleicos son sorprendentemente versátil. Además de su papel natural como medio de almacenamiento para la información biológica 1, que pueden ser utilizadas en la computación paralela 2,3, reconocen y se unen dianas moleculares o celulares 4,5, 6,7 catalizan reacciones químicas, y generan respuestas calculadas en un biológica sistema de 8,9. Es importante destacar que, los ácidos nucleicos pueden ser programados para auto-ensamblarse en estructuras 2D y 3D 10-12, lo que permite la integración de todas estas características notables en un solo robot enlazan a la detección de señales biológicas a una respuesta ajustado con el fin de ejercer un efecto deseado. Creación de formas de ácidos nucleicos fue propuesta por primera vez por Seeman 13, y varias variaciones sobre este tema, ya se han realizado utilizando varias técnicas 11,12,14,15. Sin embargo, la más significativa es quizás la propuesta por Rothemund, denominado andamiaje origami de ADN16. En esta técnica, el plegado de un ADN de una sola hebra larga &#39;andamio&#39; (&gt; 7.000 bases) se dirige a una forma deseada por cientos de cadenas complementarias cortos denominados &#39;grapas&#39;. Plegable se lleva a cabo por la rampa de temperatura de recocido. Esta técnica se demostró con éxito en la creación de una gran variedad de formas 2D con notable precisión y robustez. Origami de ADN se extendió más tarde a 3D y 17,18. El presente trabajo se centrará en el software caDNAno 2.0 19 desarrollado por Douglas y sus colegas. caDNAno es una herramienta CAD robusta y fácil de usar que permite el diseño de 2D y 3D DNA formas de origami con características versátiles. El proceso de diseño se basa en un esquema de abstracción sistemática y precisa de estructuras de ADN, por lo que es relativamente sencillo y eficiente. En este trabajo se demuestra el diseño de un origami de ADN nanorobot que ha sido descrito recientemente 20. Este robot es &quot;robótica&quot; en el sentido que enlaza detección de actuación, con el fin de realizar una tarea. Explicamos cómo diversos sistemas de detección pueden ser integrados en la estructura, y cómo esto se puede transmitir a un efecto deseado. Finalmente usamos Cando 21 para simular las propiedades mecánicas de la forma diseñada. El concepto se discute se puede adaptar a múltiples tareas y configuraciones.

<html> Figuras 1-25 son capturas de pantalla de la interfaz caDNAno 2.0 muestra el proceso de diseño paso a paso. La sección transversal de la forma se esbozó primero (Figura 3), seguido de la adición automática de los fragmentos de cadena de andamio y la terminación de todo el trayecto del andamio (Figura 7). Se agregan hebras cortadas de forma automática (Figura 12), rompen según los parámetros definidos por el usuario (Figura 14), y e...

Origami de ADN es un poderoso método para la fabricación de objetos nanométricos precisos programando el auto-ensamblaje de moléculas de ADN. Aquí, se describe cómo origami de ADN se puede utilizar para diseñar un robot robótico capaz de detectar señales biológicas y responder por el cambio de forma, posteriormente transmitida a un efecto deseado.

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

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

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 accion

designing-a-bio-responsive-robot-from-dna-origami

Research

Investigación

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingeniería

origami de ADN es un poderoso método para fabricar objetos precisos a nanoescala mediante la programación del autoensamblaje de moléculas de ADN. Aquí describimos un protocolo para el plegamiento de un robot bio-sensible a partir de origami de ADN, su purificación y tinción negativa para la transmisión de imágenes microscópicas electrónicas (TEM).

Plegable y caracterización de un Robot Bio-sensible de ADN Origami

mosaico de ADN es un enfoque eficaz para crear nanoestructuras programables. Describimos los protocolos para construir formas bidimensionales complejas mediante el autoensamblaje de mosaicos de ADN monocatenario.

Autoensamblaje de formas bidimensionales complejas de una sola hebra de ADN Azulejos

Se describen los procesos de limpieza reproducibles para sustratos utilizados en la investigación de origami de ADN, incluida la limpieza RCA de sobremesa y la derivatización de óxido de silicio. Se ilustran los protocolos para la preparación de la superficie, la deposición de origami de ADN, los parámetros de secado y las configuraciones experimentales simples.

Preparación de Mica y Silicon Sustratos para el Análisis de Origami ADN y Experimentación

Aquí, se presenta un flujo de trabajo automatizado para modular montaje de "dispositivo" de ADN usando un método de montaje modular de clonación ADN sobre robots de manipulación de líquidos. El protocolo utiliza una herramienta de software intuitivo para la generación de listas de líquido controlador para combinatoria ADN dispositivo biblioteca generación, demostramos con dos plataformas de manejo de líquidos.

Automatizado de montaje robotizada manipulación líquido de dispositivos modulares de la DNA

Describimos el protocolo detallado para el diseño, simulación, wet-lab experimentos y análisis para un rack de acordeón ADN reconfigurable de mallas de 6 por 6.

Diseño y síntesis de un ADN Reconfigurable acordeón Rack

Aquí, se presenta un protocolo para la protección del ADN origami nanoestructuras en Mg-agotado y nucleasa medios enriquecidos con polisacárido catiónico natural Quitosana y recubrimientos sintéticos polietilamina lineal (LPEI).

Terapia génica inspirado POLICATIÓN recubrimiento para protección de nanoestructuras de Origami de ADN

Describimos el protocolo detallado para el montaje basado en origami ADN de nanobarras de oro en metamolecules plasmónica quirales con fuerte chiroptical respuestas. El Protocolo no se limita a configuraciones chiral y puede ser fácilmente adaptado para la fabricación de varias arquitecturas plasmónica.

Asamblea de nanobarras de oro en Metamolecules plasmónica quirales mediante plantillas de Origami de ADN

Aquí, describimos un protocolo para crear nanoestructuras inorgánicas discretas y precisas en sustratos utilizando formas de origami de ADN como plantillas guía. El método se demuestra mediante la creación de antenas plasmónicas en forma de pajarita de oro en un sustrato transparente (zafiro).

Nanopatrón de nanopatrón de nanopatrón de sustrato mediado por origami de ADN para aplicaciones de cizallamiento

El objetivo de este protocolo es formar conjuntos de motores moleculares en nanoestructuras de origami de ADN y observar la motilidad del conjunto utilizando la microscopía de fluorescencia de reflexión interna total.

Producción de Conjuntos de Motores de Dynein y Kinesin en Nanoestructuras de Origami de ADN para Observación de MoléculaS Simples

Un andamio bioinspirado se fabrica mediante una técnica de fotolitografía suave utilizando hidrogeles mecánicamente robustos y conductores eléctricos. Los hidrogeles micropatrónizados proporcionan alineación direccional de células de cardiomiocitos, lo que resulta en una dirección personalizada de accionamiento. Los microelectrodos flexibles también se integran en el andamio para lograr control eléctrico para un tejido cardíaco autoaccionado.

Robot suave bioinspirado con microelectrodos incorporados

Describimos la ingeniería de una nueva ARN polimerasa T7 atada al ADN para regular las reacciones de transcripción in vitro. Discutimos los pasos para la síntesis y caracterización de proteínas, validamos la regulación transcripcional de prueba de concepto y discutimos sus aplicaciones en computación molecular, diagnóstico y procesamiento de información molecular.

ARN polimerasa atado al ADN para transcripción in vitro programable y computación molecular

Aprende a diseñar un robot bio-respuesta mediante origami de ADN utilizando el software CAD nano. Este método permite crear dispositivos nanométricos programables para aplicaciones biotecnológicas avanzadas.

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

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