一本鎖DNAタイルから複雑な2次元形状の自己集合

Summary

DNAタイリングは、プログラム可能なナノ構造を作成するための効果的なアプローチです。本稿では、一本鎖DNAタイルの自己組織化により複雑な二次元形状を構築するプロトコールについて述べる。

Abstract

現在のDNAナノアーキテクチャの方法は、自己組織化の原理を用いて様々な2Dおよび3D構造を成功裏に操作しています。この記事では、分子キャンバス上の分子ピクセルとして機能する一意にアドレス指定可能な一本鎖DNAタイルの自己組織化を通じて、洗練された2D形状を作製する方法に関する詳細なプロトコルについて説明します。各一本鎖タイル(SST)は、自己組織化中に4つの隣接ドメインに結合する4つの連結モジュールドメインで構成される42ヌクレオチドDNA鎖です。分子キャンバスは、SSTから自己組織化された長方形の構造です。310ピクセルの分子キャンバスから構成する分子ピクセル(SST)を選択し、対応するストランドをワンポットアニーリングにかけることで、所定の複雑な2D形状を形成します。SSTアプローチのモジュール性により、この方法のスケーラビリティ、汎用性、堅牢性を実証しています。他の方法と比較して、SST法は、de novoで設計および合成された短いDNA鎖を使用することで、情報ポリマーと配列の幅広い選択を可能にします。

Introduction

^{5,8,10 - - 13,17,23}またはRNA ^7,22定期的な^3,4,7、前の核酸の自己組立作業^{1-25は、DNA 2}を含む複雑な構造の様々な成功構築につながっています²²とアルゴリズム⁵二次元格子、リボン^10,12およびチューブ^4,12,13、3次元結晶^17、多面体¹¹と有限、2Dは^7,8を整形します。 ^{21,25 - 16,18 -}特に効果的な方法は、単一の足場鎖が複雑な形状^9,14を形成するために、多くの短い補助ステープルストランドによって折り畳まれることにより足場のDNA折り紙、です。

我々は最近、一本鎖のタイル（SST）を使用して、所定の2次元形状を有する個別のナノ構造を構築するための方法を報告し、DNA折り紙²⁶に匹敵する複雑さを有する構造を示しました。このarticleは私達の初期の作品²⁶の適応であり、正確に所定の寸 ​​法（幅と長さ）および形態と洗練された有限の2次元形状に個別にアドレス指定するSSTを配置するための詳細なプロトコルを記述します。 SST方式の一つの重要な利点は、そのモジュール性です。構造体のすべてのコンポーネ....

Protocol

1. DNA配列設計

1. 28Tキャンバス×24Hを作成するために、二重らせん、各二重らせんのための上部と下部の螺旋の長さの数、およびクロスオーバーパターンを指定することで、SST-有限構造を設計するためにUNIQUIMERソフトウェア^27を使用してください。これらのパラメータを定義した後、全体的なアーキテクチャ（鎖組成および相補配列）は、プログラムにグラフで示されています。
2. 相補配列と追加要件（もしあれば）を満たすために指定された構造の鎖のための配列を生成します。 （構造体の大部分の）配列の対称性^28を最小化することにより、DNA配列を設計します。
   1. ヌクレオチド（A、C、GおよびT）1によってランダムに1を生成します。
   2. 塩基対形成の規則次の生成されたものと相補的なマッチヌクレオチド：TへのAおよびその逆; C Gへ、またその逆。
   3. 8または9ヌクレオチドを​​超えて繰り返しセグメントを使用しないでください。ときにこのような担当者反復セグメントの要件が満たされるまで、セグメントは、設計時に現れる食べ、最も最近に生成されたヌクレオチドを​​変異させます。
   4. 4つの連続した​​A、C、GまたはTの塩基を使用しないでください。
   5. 両方の場合、例えば （リンケージ点の周りに拠点をスライド避けるために（鎖のほとんどのために、それぞれ、第二十一及び第二十二のヌク....

Results

海面水温の自己集合（図1）は、図2に示すように、28T矩形×24Hをもたらす。別の海面水温のためのDNA配列は、ストレプトアビジン標識（図3及び4）の形質転換を可能にするように最適化/改変することができます様々なサイズのチューブや長方形を形成するためにチューブに長方形（ 図5）、海面水温のプログラム可能な自己集合（図10）、および分子キャンバス（図8）を使用して、任意の2次元形状の構造。溶液は、任意の形状（図7）の露出した領域に沿って凝集するように2つのデザイン（ドメイン代替設計およびエッジプロテクタ設計）を試験しました。どちらのデザインは、同等のゲルの収量および構造的完全性を有しているが、それは少数の補助種（図6）を必要とするため、エッジプロテクターのデザインは、よりコスト効果的です。図9に示すように、ストランドピッキングとの混合は、.......

Discussion

構造形成工程では、自己組織化DNAナノ構造のDNA鎖の混合物（ 例えば 、15 mM）のマグネシウムカチオンの適切な濃度を維持することが重要です。同様に、アガロースゲル特性評価/精製工程では、ゲル電気泳動中にDNAナノ構造を保持するゲルランニング緩衝液中で、適切なマグネシウムカチオン濃度（ 例えば 、10ミリモル）を維持することが重要です。 28T矩形構造×24Hのために、我々は異なるのMg ⁺⁺濃度でアニーリングをテストし、構造は典型的には10の範囲内に形成されたことがわかった- （約20 mMのMg ⁺⁺を持つ最高の形成収率）を30mMのMg ^++。

足場折り紙の構造とは異なり、SST構造はモジュラーアーキテクチャを採用しています。異なる形状は、SSTタイルの適切なサブセットを選択することにより、同一のキャンバスから設計することができます。さらに、SST構造があちこち組み立てられます短い合成DNA鎖をMと折り紙のアプローチで使用される長い足場を必要としません。したがって、SST.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DNAストランド	統合DNA技術		セクション3.1
SYBR Safe DNA gel stain	Invitrogen	S33102	セクション 3.4.2
Freeze'N Squeeze DNA ゲル抽出スピンカラム	BIO-RAD	731-6166	セクション 3.6
Bruker's Sharp Nitride Lever Probes	Bruker AFM Probes	SNL10	Section 4.3
Safe Imager 2.0 Blue Light Transilluminator	Invitrogen	G6600	セクション 3.6
遠心分離機 5430R	エッペンドルフ	5428 000.414	セクション 3.6
透過型電子顕微鏡	Jeol	Jem 1400	セクション 7.4
マルチモード 8	Veeco		セクション 4
台風 FLA 9000 レーザー スキャナー	GE Heathcare Life Sciences	28-9558-08	セクション 3.5
超純蒸留水	Invitrogen	10977-023	セクション 3.7.1
マイカディスク	SPI サプライ	12001-26-2	セクション 4.1
スチール取り付けディスク	テッド・ペラ社	16218	セクション 4.1
電子顕微鏡科学	用カーボンコーティング銅グリッド	FCF400-Cu	セクション 7.2
ピンセット	デュモン	0203-N5AC-PO	セクション 7.31
グロー放電システム	Quorum Technologies	K100X	セクション 7.2
DNA エンジン Tetrad 2 ペルチェ サーマル サイクラー	BIO-RAD	PTC–0240G	セクション 3.3
フクロウ Easycast B2 ミニゲル電気泳動システム	ThermoScientific	B2	セクション 3.4.3
Seekam LE アガロース 500G	ロンザ	50004	セクション 3.4.1
GeneRuler 1kb Plus DNA ラダー、すぐに使える 75-20000bp	ThermoScientific	SM1333	セクション 3.4.4
Nanodrop 2000c UV-vis 分光光度計	ThermoScientific		セクション 3.7
0.2μmフィルター	コーニング社製	431219	セクション 7.1.2