Conception d'un robot Bio-sensible de l'ADN origami

L'objectif général de cette procédure est de concevoir un dispositif robotique en origami d'ADN à l'aide du logiciel CAD nano. Cela s'accomplit d'abord en installant CAD nano et en l'utilisant pour définir la forme générale du robot. La deuxième étape consiste à concevoir le trajet du brin d'échafaudage.

Ensuite, les agrafes sont insérées et modifiées. L'étape finale consiste à définir les caractéristiques de contrôle, notamment la charge utile, les sites d'attachement et les portes logiques. En fin de compte, une liste de fragments d'ADN est générée afin d'être commandée avant l'assemblage.

Le principal avantage de cette technique est qu'elle simplifie et normalise la conception d'objets en origami d'ADN pour diverses applications. La procédure sera démontrée par Alad Bei, chercheur postdoctoral, qui travaille sur la dynamique de robots en origami d'ADN dans mon laboratoire. Pour commencer cette procédure, téléchargez et installez CAD nano two et Autodesk Maya 2012.

Selon les instructions sur http://cadnano.org, l'interface de conception de CAD nano dans Maya comprend trois panneaux. Le panneau supérieur est la vue de treillis, où la forme est initialement esquissée.

Ce panneau permet des actions au niveau de l'hélice double et offre une vue en coupe de la forme. Le panneau inférieur est le panneau d'édition, permettant des actions au niveau d'une base unique. Le panneau droit est un modèle 3D en temps réel généré par Maya de la forme.

Cliquez sur l'icône en forme de nid d'abeille pour zoomer respectivement avant et arrière sur le réseau. Dans le panneau supérieur, cette action peut être effectuée à l'aide de la souris en faisant défiler vers le haut et vers le bas.

Pour commencer, dessinez la section de la forme souhaitée sur le panneau de gauche. Chaque cercle représente un ADN double, une hélice ; pour sélectionner les hélices qui constituent la forme, cliquez simplement sur leur centre. Continuez hélice par hélice jusqu'à ce que toute la forme soit délimitée.

Alternativement, la forme peut être dessinée en maintenant enfoncé le bouton gauche de la souris et en traçant continuellement le contour de la forme. Observer le panneau inférieur. Chaque hélice est représentée par deux rangées de carrés.

Les lignes représentent les deux brins de l'hélice double. Chaque case correspondant à une base, la barre verticale orange détermine l'endroit le long de l'hélice où ont lieu les actions d'édition. La position de la base le long de la grille apparaît sous forme d'un nombre au-dessus de la barre orange.

La longueur par défaut du cadre hélicoïdal est de 42 bases. La longueur peut être prolongée en cliquant sur l'une des icônes fléchées grises situées dans le coin supérieur droit du panneau d'édition et en sélectionnant la longueur d'extension souhaitée. Pour tracer le trajet réel du brin échafaudage à travers la forme, appuyez sur le bouton de la souris.

Commencez par la première hélice et suivez continuellement toutes les hélices dans l'ordre où elles ont été initialement sélectionnées. Dessinez un rectangle autour de tous les bords les plus à gauche du trajet de l'échafaudage. Prolongez le trajet de l'échafaudage en faisant glisser les bords sélectionnés ensemble vers le côté gauche de la grille.

Après avoir répété ce processus jusqu'à ce que le chemin soit correctement prolongé et identifié les icônes de pont comme décrit dans le texte, préparez-vous à créer des croisements. Cliquez sur l'icône de pont choisie. Un croisement de l'armature sera généré, ce qui signifie que l'armature traverse à cet endroit d'une hélice à l'autre.

Répétez ce processus jusqu'à ce que l'armature traverse toutes les hélices et forme une boucle fermée s'étendant sur toute la structure, sans laisser de régions isolées du reste de cette forme. Le robot décrit s'ouvre en réponse à une entrée biologique définie afin d'exposer sa charge utile. L'ouverture s'effectue de manière semblable à un coffre, les deux moitiés pivotant autour de deux axes.

Les axes sont formés par des croisements entre les hélices 29 et 30 et les hélices 61 et zéro, qui sont les seuls croisements entre ces moitiés et sont positionnés uniquement sur ou près du bord gauche de la grille. Le bord droit contiendra les brins de marche. Supprimez le croisement existant entre les hélices 29 et 30.

Pour effacer le point de croisement, cliquez sur le point d'articulation dans l'un des deux brins. Cela laisse une cassure dans chacun des deux brins à l'endroit où se trouvait le croisement. Pour sceller les cassures, maintenez la touche Maj enfoncée et cliquez sur chaque cassure, puis créez un nouveau croisement entre les hélices 29 et 30 aussi près que possible du bord gauche de la grille.

Ensuite, créez un nouveau point de croisement entre les hélices 61 et zéro aussi près que possible du bord gauche de la grille, puis définissez quatre sites de chargement orientés vers le côté interne du robot. Les sites de chargement partiront des hélices 3, 27, 34 et 58. Pour chaque site dans le panneau supérieur, cliquez sur l'hélice immédiatement adjacente à ces hélices et orientée vers le côté interne.

Cela ajoutera les hélices à la grille dans le panneau inférieur. Ne cliquez pas une deuxième fois sur ces lyes pour ajouter et modifier les agrafes. Cliquez d'abord sur l'agrafe automatique.

Le logiciel ajoutera automatiquement des séquences d'agrafes en différentes couleurs. Remarquez que des agrafes ont été ajoutées à la forme 3D dans le panneau de droite. Les couleurs des agrafes sont identiques dans les panneaux inférieur et droit.

En outre, un indicateur situé dans le coin inférieur gauche de l'interface signale que les agrafes ne peuvent pas être trop longues, trop courtes ou circulaires pour être modifiées automatiquement. Pour satisfaire à ces critères, cliquez sur « Auto Break » ; une boîte de dialogue s'ouvrira pour demander les paramètres définis par l'utilisateur pour cette action. Utilisez les paramètres par défaut et cliquez sur « OK ». Le logiciel divisera les agrafes selon ces paramètres, dans la mesure du possible.

Effacez toutes les jonctions croisées des brins d'appoint entre les hélices 29 et 30 ainsi qu'entre les hélices 61 et 0 afin de permettre la séparation de ces hélices et l'ouverture du robot. L'effacement des jonctions croisées des brins d'appoint nécessitera une certaine retouche manuelle pour corriger les brins d'appoint devenus trop courts ou incohérents suite à cette action. Pour exécuter correctement cette étape, suivez les instructions du protocole écrit concernant la soudure : sélectionnez les deux brins d'appoint sur l'hélice 29 en maintenant la touche Maj enfoncée et en cliquant sur l'entaille située entre eux.

De même, les trois agrafes sur le brin 30 semblent reliées à une seule agrafe ; celles-ci peuvent être étendues ou raccourcies manuellement en cliquant sur une extrémité et en la faisant glisser selon les besoins. Veiller à ne pas circulariser une agrafe quelconque. Répéter ce processus pour les HELOCs zéro et 61, et modifier manuellement toutes les agrafes dans chaque hélice.

Repérez les agrafes dessinées par une ligne épaisse, ce qui signifie qu'elles nécessitent une modification supplémentaire. Examinez chacune d'entre elles et corrigez-les selon les besoins. Par exemple, les agrafes trop courtes peuvent être effacées ou prolongées si possible.

Deuxièmement, cliquez sur les hélices du site de chargement dans le panneau supérieur et prolongez les fragments de brin squelette résultants dans le panneau inférieur en cliquant sur une arête et en la faisant glisser selon le souhait. Ajoutez manuellement des entretoises à ces fragments de squelette en plaçant la barre verticale orange à la position souhaitée le long du squelette, en passant par-dessus les hélices de guidage dans le panneau de gauche tout en maintenant la touche Maj enfoncée et en cliquant. Cela ajoutera un précurseur d'entretoise à chaque hélice.

Étendez également les précurseurs d'agrafes à leur pleine longueur. En cliquant et en faisant glisser, repérez les icônes rouges de pont indiquant des points de croisement importants entre le brin guide et le châssis. Choisissez l'emplacement le plus pratique pour introduire un croisement et cliquez sur l'icône de pont. Un emplacement pratique nécessite une modification minimale des agrafes existantes dans le châssis.

Dans l'hélice guide, supprimez la partie de l'agrafe qui ne fait pas partie du site de chargement et raccourcissez la partie participante à la longueur souhaitée. Cette longueur doit assurer à la fois la spécificité pour le chargement de différents types de cargaison et la force de liaison. Généralement, une queue de 18 nucléotides convient bien.

Veillez à ce que l’agrafe reste dessinée par une ligne fine. Sinon, modifiez-la jusqu’à ce qu’elle soit dans le châssis. Modifiez les agrafes modifiées selon les besoins.

Effacez le guide, en ne laissant que l'extension par agrafage. Répétez ces étapes pour tous les sites de chargement afin de concevoir les brins de marche. Tout d'abord, repérez les positions appropriées pour les brins de marche.

Ceux-ci seront des brins d'ancrage sur les hélices 29, 30, 61 et zéro. Par exemple, examiner la région de passage entre les hélices 29 et 30. Il existe des brins d'ancrage pratiques situés de part et d'autre des hélices 29 et 30 du côté droit de la grille, qui peuvent être utilisés comme brins de porte.

Notez qu'elles sont orientées dans des directions opposées. Cliquez sur le bord de l'un des brins potentiels de marche pour l'étendre à l'extérieur de la forme. Si le bord se trouve au-dessus d'un point de croisement d'armature, la sélection peut être simplifiée en s'assurant que seuls les brins d'assemblage sont sélectionnables.

En cliquant hors de « scaf » dans la barre d'outils sélectionnable située en haut à droite de l'interface, prolongez les deux brins d'agrafage afin de former les brins de la porte. Modifiez les brins d'agrafage. Si ce prolongement l'exige, répétez cette opération pour les brins de porte des hélices zéro et 61.

Pour choisir la séquence de l'échafaudage, cliquez sur l'outil de recherche. Placez le curseur n'importe où sur le brin échafaudage et cliquez ; une boîte de dialogue s'ouvrira, vous demandant de sélectionner la source d'ADN de l'échafaudage. Dans la boîte de dialogue, cliquez sur M13 MP18. Notez que la séquence d'ADN choisie a été ajoutée aux brins échafaudage et staples dans le panneau inférieur.

Enfin, exportez la séquence d'agrafage sous forme de feuille de calcul en cliquant sur exporter dans la barre d'outils supérieure et en choisissant un nom de fichier de destination pour la liste des agrafes. Cliquez sur enregistrer. Cette vidéo a démontré un processus étape par étape pour la conception d'un nanorobot en origami d'ADN.

La section transversale de la forme a d'abord été esquissée ici. Cet aperçu a été suivi de l'édition automatique des fragments de brin squelette et de l'achèvement de tout le trajet du brin squelette. On voit ici une vue d'ensemble des panneaux inférieur et droit, illustrant la manière dont le modèle 3D évolue en temps réel parallèlement aux actions de modification.

Les brins d'agrafage ont été automatiquement ajoutés, comme on peut le voir sur le plan après l'action d'agrafage automatique. Sur cette image, les couleurs des agrafes dans le panneau inférieur et le panneau droit sont cohérentes. Les brins d'agrafage ont ensuite été rompus selon des paramètres définis par l'utilisateur, comme illustré ici sur le plan après l'action de rupture automatique.

Ensuite, les brins d'agrafage ont été modifiés manuellement afin d'adapter ces agrafes à la fonction souhaitée du dispositif. L'intervalle complet entre les hélices 29 et 30 indique qu'aucun point de croisement ne relie les deux dans ce plan. Après la modification manuelle, l'image ci-dessous montre les brins d'agrafage du site de chargement tels qu'ils apparaissent dans le panneau inférieur.

Après avoir retiré les HELOCs guides, qui ne sont plus nécessaires, cette image montre l'extension de deux agrafes, qui serviront de brins GA provenant des HELOCs 29 et 30. Remarquez que les deux brins sont orientés dans des directions opposées, ce qui est obligatoire pour la formation du duplex de marche. Il s'agit de l'image de microscopie électronique en transmission (TEM) du modèle final conçu selon cette procédure.

L'échantillon est coloré avec du format urinal et observé au microscope électronique en transmission GL exactement comme décrit dans des rapports antérieurs par les auteurs. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de concevoir un robot en origami d'ADN pour toute application de votre choix.