Name: Progettazione di un robot bio-sensibile da DNA Origami (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Impara a progettare un robot bio-sensibile mediante DNA origami utilizzando il software CAD nano. Questo metodo standardizza la creazione di dispositivi nanometrici programmabili per applicazioni biotecnologiche avanzate.

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Gli autori desiderano ringraziare S. Douglas per il grande valore discussioni e consigli, e tutti i membri del laboratorio Bachelet per utili discussioni e lavoro. Questo lavoro è supportato da finanziamenti della Facoltà di Scienze della Vita e Istituto di nanotecnologia e materiali avanzati a Bar-Ilan University.

<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Origami di DNA ci permette di fabbricare oggetti accuratamente definiti funzioni arbitrarie su scala nanometrica. Un importante passo successivo sarà l&#39;integrazione della funzione in questi disegni. Mentre molte applicazioni e le sfide possono essere affrontate con questa tecnologia, vi è un particolare interesse per la fabbricazione di robot terapeutici e scientifici da origami di DNA, in quanto questi rappresentano un ambiente naturale di DNA. DNA si interfaccia già con macchine molecolari in cellule come una info...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>È necessario creare prima un account studente/accademico (vedere le istruzioni specifiche della piattaforma 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 per la progettazione di strutture origami di DNA <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http:// cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (pagina web)</td><td>(Open source)</td><td></td><td>Pagina web che esegue un simulatore di forme di origami di DNA <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

progettazione di un robot bio-sensibile da dna origami

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Gli acidi nucleici sono sorprendentemente versatile. Oltre al loro ruolo naturale come supporto di memorizzazione per informazioni biologiche 1, possono essere utilizzati in parallelo computazione 2,3, riconoscono e si legano bersagli molecolari o cellulari 4,5, 6,7 catalizzano reazioni chimiche, e generano risposte calcolate in biologico Sistema di 8,9. Soprattutto, gli acidi nucleici possono essere programmate per auto-assemblano in strutture 2D e 3D 10-12, consentendo l&#39;integrazione di tutte queste caratteristiche notevoli in un unico robot che collegano il rilevamento di segnali biologici per una risposta predeterminata per esercitare un effetto desiderato. Creare forme di acidi nucleici è stata proposta da Seeman 13, e diverse variazioni sul tema sono stati da allora realizzati con varie tecniche 11,12,14,15. Tuttavia, il più significativo è forse quello proposto da Rothemund, definito scaffolded DNA origami16. In questa tecnica, la piegatura di una lunga (&gt; 7000 basi) a singolo filamento di DNA &#39;scaffold&#39; è diretta ad una forma desiderata da centinaia di corti filamenti complementari denominati &#39;graffette&#39;. Piegatura viene effettuata da temperatura rampa ricottura. Questa tecnica è stata dimostrata con successo nella creazione di una gamma di forme 2D con notevole precisione e robustezza. Origami di DNA è stato successivamente esteso al 3D e 17,18. Il documento attuale si concentrerà sul software caDNAno 2.0 19 sviluppato da Douglas e colleghi. caDNAno è un robusto, facile da usare strumento CAD che consente la progettazione di forme 2D e 3D origami di DNA con caratteristiche versatili. Il processo di configurazione si basa su uno schema di astrazione sistematica e accurata per strutture del DNA, che rende relativamente semplice ed efficiente. In questo lavoro abbiamo dimostrato la progettazione di un origami di DNA ndnorobot che è stata recentemente descritta 20. Questo robot è &#39;robotica&#39;, nel senso che ci è concesso di rilevamento di attuazione, al fine di eseguire un compito. Vi spieghiamo come vari sistemi di rilevamento possono essere integrati nella struttura, e come questo può essere inoltrato a un effetto desiderato. Infine usiamo Cando 21 per simulare le proprietà meccaniche della forma progettata. Il concetto discutiamo può essere adattato a molteplici compiti e le impostazioni.

<html> Figure 1-25 sono schermate dell&#39;interfaccia caDNAno 2.0 che mostra il processo di progettazione passo-passo. La sezione trasversale della forma è stato illustrato (figura 3), seguito da aggiunta automatica di scaffold frammenti filamento e completamento dell&#39;intero percorso ponteggio (Figura 7). Filoni Staple vengono aggiunti automaticamente (Figura 12), suddivisi in base a parametri definiti dall&#39;utente (Figura 14), e...

Origami di DNA è un potente metodo per la realizzazione di oggetti in nanoscala precise programmando l&#39;auto-assemblaggio di molecole di DNA. Qui, descriviamo come origami di DNA può essere utilizzato per progettare un robot in grado di rilevare segnali biologici e rispondenti, per il cambiamento di forma, successivamente trasmesso ad un effetto desiderato.

Progettazione di un robot bio-sensibile da DNA Origami

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

L'obiettivo generale di questa procedura è progettare un dispositivo robotico in origami di DNA utilizzando il software CAD nano. Questo viene realizzato innanzitutto installando CAD nano e utilizzandolo per delineare la forma generale del robot. Il secondo passaggio consiste nel progettare il percorso del filamento scaffold.Successivamente, le puntine vengono inserite e modificate. L'ultimo passaggio consiste nell'impostare le caratteristiche di controllo, inclusi il carico utile, i siti di attacco e le porte logiche. Infine, viene generata una lista di frammenti di DNA da ordinare prima dell'assemblaggio.Il vantaggio principale di questa tecnica è che semplifica e standardizza la progettazione di oggetti in origami di DNA per diverse applicazioni. A dimostrare la procedura sarà Alad Bei, un ricercatore postdottorato, che lavora sulla dinamica di robot in origami di DNA nel mio laboratorio. Per iniziare questa procedura, scaricare e installare CADnano 2 e Autodesk Maya 2012.Secondo le istruzioni su http://cadnano.org, l'interfaccia di progettazione di CADnano all'interno di Maya comprende tre pannelli. Il pannello superiore è la vista del reticolo, dove la forma viene inizialmente

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Bioingegneria

L'origami del DNA è un metodo potente per fabbricare oggetti precisi su scala nanometrica programmando l'auto-assemblaggio di molecole di DNA. Qui descriviamo un protocollo per il ripiegamento di un robot bio-responsivo da origami di DNA, la sua purificazione e colorazione negativa per l'imaging al microscopio elettronico a trasmissione (TEM).

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Il tassellamento del DNA è un approccio efficace per realizzare nanostrutture programmabili. Descriviamo i protocolli per costruire forme bidimensionali complesse mediante l'autoassemblaggio di tessere di DNA a filamento singolo.

Auto-assemblaggio di forme complesse bidimensionali da Campagna DNA a singolo filamento

Vengono descritti i processi di pulizia riproducibili per i substrati utilizzati nella ricerca sugli origami del DNA, tra cui la pulizia RCA da banco e la derivatizzazione dell'ossido di silicio. Vengono illustrati i protocolli per la preparazione della superficie, la deposizione di origami di DNA, i parametri di essiccazione e semplici set-up sperimentali.

Preparazione di Mica e Silicon substrati per il DNA Origami Analisi e sperimentazione

Qui, un flusso di lavoro automatizzato per eseguire il montaggio modulare di "dispositivo" di DNA usando un metodo di assemblaggio modulare clonazione di DNA su robot di maneggio del liquido è presentato. Il protocollo utilizza uno strumento intuitivo software per la generazione di elenchi a discesa gestore liquido per combinatoria generazione della libreria dispositivo DNA, che dimostriamo utilizzando due piattaforme di gestione dei liquidi.

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Descriviamo il protocollo dettagliato per la progettazione, la simulazione, gli esperimenti di laboratorio bagnato e analisi per un rack di fisarmonica DNA riconfigurabile di 6 per 6 maglie.

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Terapia genica ispirato Polycation rivestimento per la protezione di nanostrutture di DNA Origami

Descriviamo il protocollo dettagliato per l'assemblaggio del DNA origami-basato di nanorod oro in metamolecules chirali plasmoniche con forte chiroottiche risposte. Il protocollo non è limitato alle configurazioni chirali e può essere facilmente adattato per la realizzazione di varie architetture plasmoniche.

Assemblaggio di nanorod oro in Metamolecules plasmoniche chirale utilizzando modelli di Origami del DNA

Qui, descriviamo un protocollo per creare nanostrutture inorganiche discrete e accurate sui substrati utilizzando forme di origami di DNA come modelli guida. Il metodo è dimostrato dalla creazione di antenne plasmoniche a forma di papillon in oro su un substrato trasparente (sapphire).

Il nanopatterndifid antistrato DNA Mediato delle strutture inorganiche per applicazioni di rilevamento

L'obiettivo di questo protocollo è quello di formare insiemi di motori molecolari sulle nanostrutture di origami del DNA e osservare la motilità dell'insieme utilizzando la microscopia a fluorescenza totale della riflessione interna.

Produzione di Dynein e Kinesin Motor Ensemble su nanostrutture DNA Origami per l'osservazione a singola molecola

Uno scaffold bioinspired è fabbricato con una tecnica di fotolitografia morbida utilizzando idrogel sagomati dal punto di guida ed elettricamente conduttivi. Gli idrogel micromodellati forniscono l'allineamento delle cellule cardiomiociti cardiomiociti direzionali, con conseguente direzione di azionamento su misura. I microelettrodi flessibili sono integrati anche nello scaffold per portare la controllabilità elettrica per un tessuto cardiaco auto-octuante.

Robot morbido bioispirato con microelettrodi incorporati

Descriviamo l'ingegneria di una nuova T7 RNA polimerasi legata al DNA per regolare le reazioni di trascrizione in vitro. Discutiamo i passaggi per la sintesi e la caratterizzazione proteica, convalidiamo la regolazione trascrizionale proof-of-concept e discutiamo le sue applicazioni nel calcolo molecolare, nella diagnostica e nell'elaborazione delle informazioni molecolari.

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