Name: DNA折り紙からバイオ応答ロボットの設計 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: 学ぶ DNA折り紙を用いたバイオ応答ロボットの設計手法。CAD nanoソフトウェアで形状を描画し、スカフォールド鎖の経路を設計して、ステープル鎖を編集する方法です。ナノスケールロボットの開発に応用可能です。

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著者は、非常に貴重な議論と助言、そして有用な議論や作業のためのバチェレラボのすべてのメンバーのS.ダグラスに感謝したい。この作業はバー宜蘭大学のナノテクノロジー＆アドバンストマテリアルのライフサイエンスおよび研究所の教員からの補助金によってサポートされています。

<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>

著者らは、開示することは何もありません。

DNA折り紙は、ナノスケールでの任意の機能を正確に定義されたオブジェクトを作製することを可能にします。重要な次のステップは、これらのデザインに機能を統合するでしょう。多くのアプリケーションや課題が、この技術で対処できましたが、これらはDNAの自然環境を表すように、DNA折り紙から治療や科学のロボットを製造する際に特に興味がある。 DNAは既に遺伝情報記憶媒体などの細胞内分子機構とインタフェース。興味深いことに、ナノロボット、または別のマシンで折り畳まれたDNAは、まだ出力のシーケンスの一部として、ナノロボット崩壊後に所望のタンパク質の発現に中継することができ、建設材料、であることに加えて遺伝情報として機能することができます。 このホワイト·ペーパーで説明した例では、ロボットを動作させるために制限酵素を使用しています。 DNAロボットが責任れる際しかしながら、追加メカニズム入力へのdは、次のものがあります。 分子認識：我々は、最近20標的細胞上の表面にタンパク質分子を認識するDNAロボットのアプタマーベー...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td> まず<td>、学生/アカデミック アカウントを作成する必要があります (<a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (ソフトウェア)</td><td>(オープン ソース)</td><td></td><td>DNA オリガミ構造の設計用ソフトウェア <a href="http://cadnano.org/" target="_blank" >http://cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (ウェブページ)(</td><td>オープンソース)</td><td></td><td>DNAオリガミ形状のシミュレータを実行するウェブページ<a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

dna折り紙からバイオ応答ロボットの設計

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

核酸は驚くほど汎用性があります。記憶媒体としての本来の役割に加えて1、それらは並列計算2,3に利用することができる、と認識して結合する4,5分子または細胞標的を、化学反応を触媒6,7、および生物学で算出されたレスポンスを生成するための生体情報システム8,9。重要なことに、核酸は、所望の効果を発揮させるために予め設定された応答に生物学的手がかりの検出を結ぶ単一のロボット内のすべてのこれらの顕著な特徴の統合を可能にし、2次元および3次元構造10-12に自己集合するようにプログラムすることができる。 核酸から作成形状が最初シーマン13で提案されており、このテーマに関するいくつかのバリエーションは、以来、様々な技術の11,12,14,15を使用して実現されている。しかし、最も重要なは、スキャフォールドと呼ばれるDNA折り紙、恐らくRothemundによって提案されたものです16。この技術では、長時間（&gt; 7,000塩基）一本鎖DNA &#39; 足場&#39;の折り畳み&#39;は、ステープル&#39;と呼ばれる短い相補鎖の数百によって所望の形状に向けられる。折り畳みは、温度ランプアニールにより行われる。この手法は、正常顕著精度と堅牢性を持つ2D形状の多様な配列の作成に実証された。 DNA折り紙は後でよく17,18として3Dに拡張されました。 現在の論文は、ダグラスらによって開発されたcaDNAno 2.0ソフトウェア19に焦点を当てます。 caDNAnoは多才な機能を備えた2Dおよび3D DNA折り紙形状の設計を可能にする堅牢な、ユーザーフレンドリーなCADツールです。設計プロセスは、それが比較的簡単かつ効率的に、DNA構造に体系的かつ正確な抽象化方式に依存する。 本稿では、DNA折り紙NAの設計を実証最近20に記載されているnorobot。このロボットは、タスクを実行するために、それが作動する感知リンクするという意味で、 &quot;ロボット&quot;である。我々は、様々な検出方式を構造体に統合することができます方法を説明し、どのように、これは望ましい効果に中継することができます。最後に設計された形状の機械的特性をシミュレートするためにキャンドゥ21を使用する。我々が議論する概念は、複数のタスクや設定に適合させることができる。

<html> 図1-25は、設計プロセスのステップバイステップを示すcaDNAno 2.0インターフェースのスクリーンショットです。形状の断面は、第一の足場鎖フラグメントおよび全体足場路（図7）の完了を自動的に加え、続いて、（図3）に概説した。ステープルストランドは自動的にユーザー定義のパラメータ（図14）、およびデバイスの所望の機能（図15-18）にステープルを適応することが手動で編集によると壊れて、（図12）が追加されます。 図23-24のロード方法について説明しサイトおよびゲートストランドを加え、編集される。最後に、 図27は、ここで設計されたモデルのTEM像を示す。 &quot;/&gt; 図1。caD...

DNA折り紙は、DNA分子の自己集合をプログラムすることにより、正確なナノスケール物体を製造するための強力な方法である。ここでは、DNA折り紙、その後、所望の効果に中継生物手がかりを感知し、シフト形状によって対応できるロボットのロボットを設計するために利用することができる方法について説明します。

DNA折り紙からバイオ応答ロボットの設計

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

この手順の全体的な目的は、CAD nanoソフトウェアを使用して、DNAオリガミからロボットデバイスを設計することです。まずCAD nanoをインストールし、それを用いてロボットの全体的な形状の概略を作成することでこれを達成します。第2のステップは、スキャホールドストランドの経路を設計することです。次に、ステープルを挿入し、編集します。最終ステップは、ペイロード、アタッチメント部位、ゲートを含むコントロール機能の設定です。最終的に、アセンブリ前に注文するためのDNAパーツリストが生成されます。この手法の主な利点は、多様な応用に向けたDNAオリガミ構造物の設計を簡素化し、標準化できることです。本手順のデモンストレーションは、私の研究室でDNAオリガミロボットのダイナミクスを研究しているポストドクターのAlad Beiが行います。この手順を開始するために、CAD nano twoとAutodesk Maya 2012をダウンロードしてインストールしてください。http://cadnano.org の指示によると、Maya 内の CAD nano の設計インターフェースには 3 つのパネルがあります。上部のパネルはラティスビューであり、ここで最初に形状の概形が定義されます。このパネルでは二重らせんレベルの操作が可能であり、形状の断面表示が提供されます。下部のパネルは編集パネルであり、単一塩基レベルの操作が可能です。右側のパネルは、Mayaによって生成された形状のリアルタイム3Dモデルです。ハニカムアイコンをクリックして、格子の拡大および縮小を行ってください。上のパネルでは、マウスのホイールをそれぞれ上にスクロール、または下にスクロールすることで操作可能です。まず、左側のパネルに目的の形状のセクションを描画します。各円は二重鎖DNAを表しており、形状を構成するヘリックスを選択するには、その中心を左クリックします。形状全体の概形が完了するまで、ヘリックスを順に選択し続けてください。あるいは、マウスの左ボタンを押しながら形状の外郭を連続的に描くことで、形状を作成することも可能です。下パネルを確認してください。各ヘリックスは2列の正方形で表示されています。行は二重らせんの2本の鎖を表しています。各正方形は塩基を意味し、オレンジ色の垂直バーは、らせんに沿って編集操作が行われる位置を示しています。グリッド上の塩基の位置は、オレンジ色のバーの上の数字で表示されます。ヘリックスフレームワークのデフォルトの長さは42塩基です。編集パネルの右上のグレーの矢印アイコンのいずれかをクリックし、延長したい長さを選択することで、長さを延ばすことができます。形状全体の実際のスキャフォールドストランドの経路をプロットするには、マウスボタンを押してください。最初のヘリックスから開始し、最初に選択した順序に従って、すべてのヘリックスを連続的にたどります。スキャフォールドパスの最も左側のエッジすべてを囲むように長方形を描きます。選択したエッジをグループとしてグリッドの左側へドラッグし、スキャフォールドパスを延長します。パスが適切に延長されるまでこのプロセスを繰り返し、本文で説明した通りにブリッジアイコンを特定した後、クロスオーバーを作成する準備をします。任意のブリッジアイコンを左クリックしてください。これによりスキャフォールドクロスオーバーが生成されます。これは、この地点でスキャフォールドがヘリックスからヘリックスへと交差することを意味します。このプロセスを繰り返し、スキャフォールドがすべてのヘリックスを横切り、形状全体にわたる閉ループを形成させ、形状の他の部分から孤立した領域がないようにします。記述されたロボットは、定義された生物学的入力に反応して開き、ペイロードを露出させます。開閉は、2つの半分が2つの軸を中心に回転する、貝殻のような形式で行われます。軸は、ヘリックス29と30、およびヘリックス61と0の間のクロスオーバーによって形成されます。これらは、これら半分の間の唯一のクロスオーバーであり、グリッドの左端またはその付近にのみ配置されます。右端にはゲイトストランドが配置されます。ヘリックス29と30の間に既存のクロスオーバーを消去してください。クロスオーバーを消去するには、いずれかのストランドのニーポイントをクリックします。これにより、クロスオーバーがあった位置の両方のストランドにニックが残ります。ニックを接合するには、Shiftキーを押しながら各ニックをクリックし、グリッドの左端にできるだけ近い位置に、ヘリックス29と30の間に新しいクロスオーバーを作成します。次に、グリッドの左端にできるだけ近い位置にヘリックス61と0の間の新しいクロスオーバーを作成し、ロボットの内側を向いた4つのローディングサイトを定義します。ローディングサイトは、ヘリックス3 27、34、および58から分岐します。上部パネルの各サイトについて、これらのヘリックスに隣接し、内側を向いているヘリックスをクリックしてください。これにより、下パネルのグリッドにヘリックスが追加されます。ステープルを追加および編集するために、これらのレイヤーをまだ2回クリックしないでください。まず、「auto staple」をクリックしてください。ソフトウェアが自動的にさまざまな色のステープル配列を追加します。右側のパネルの3D形状にステープルが追加されたことに注意してください。ステープルの色は、下パネルと右パネルで統一されています。さらに、インターフェースの左下隅にインジケーターがあり、ステープルが自動編集されるためには、長さが適切であること（長すぎず、短すぎないこと）、および円形ではないことが必要であることを示しています。これらの基準を満たすには、[auto break]をクリックしてください。この操作のユーザー定義パラメータを求めるダイアログボックスが表示されますので、デフォルトのパラメータを使用し、[okay]をクリックします。ソフトウェアは、これらのパラメータに基づいて可能な限りステープルを分割します。ヘリックス29と30、および61と0の間のステープルクロスオーバーをすべて削除し、これらのヘリックスを分離させてロボットが開くようにします。ステープルクロスオーバーを削除すると、その結果としてステープルが短くなりすぎたり、不合理な形状になったりする場合があるため、手動での編集による修正が必要になります。これを適切に行うには、テキストプロトコルの指示に従い、Shiftキーを押しながらHelix 29上の2本のステープル間のニックをクリックしてください。同様に、Strand 30にある3つのステープルを単一のステープルに見えるように調整します。ステープルは、端をクリックして任意にドラッグすることで、手動で延長または短縮できます。ステープルを円状に閉じないように注意してください。このプロセスをHELOCs 0および61に対しても繰り返し、各ヘリックス内のすべてのステープルを手動で編集します。太線で描かれたステープルを特定してください。これは、さらなる編集が必要であることを意味します。それぞれを確認し、必要に応じて修正してください。例えば、短すぎるステープルは、消去するか、可能であれば延長してください。次に、上部パネルのローディングサイトヘリックスをクリックし、下部パネルに表示されるスキャフォールド鎖断片のエッジをクリックして任意にドラッグし、延長させます。Shiftキーを押しながら左側パネルのガイドヘリックス上の目的の位置にオレンジ色の垂直バーを配置し、クリックすることで、これらのスキャフォールド断片にステープルを手動で追加します。これにより、各ヘリックスにステープル前駆体が追加されます。クリックしてドラッグし、ガイドストランドとシャシーの間の交差ポイントを示す赤色のブリッジアイコンを探して、ステープル前駆体を全長の長さまで延長します。交差を導入するのに最も適切な場所を選択し、ブリッジアイコンをクリックします。適切な場所とは、シャシー内の既存のステープルへの編集が最小限で済む場所のことです。ガイドヘリックスにおいて、ローディングサイト以外のステープル部分を削除し、関与する部分を目的の長さに短縮します。目的の長さは、異なる種類のカーゴをローディングするための特異性と結合強度の両立を実現するものである必要があります。一般的には、18 merのテイルで十分です。ステープルが細い線で描かれたままになっていることを確認してください。そうでない場合は、シャーシ内に収まるまで編集します。変更したステープルを必要に応じて編集してください。ガイド部分を消去し、ステープル伸長部分のみを残します。すべてのローディングサイトに対してこれらの手順を繰り返し、ゲイトストランドを設計します。まず、ゲイトストランドの適切な位置を特定します。これらはヘリックス 29、30、61、および 0 のステープルとなります。例えば、29 から 30 のゲート領域を確認してください。グリッドの右側でヘリックス 29 と 30 に隣接する便利なステープル鎖があり、これをゲート鎖として使用できます。これらが互いに反対方向を向いていることに注意してください。潜在的なゲートストランドの端をクリックして、形状の外側まで延長します。端がスキャフォールドのクロスオーバー上に位置している場合は、ステープルのみを選択可能にすることで、選択を簡略化できます。インターフェース右上にある選択可能なツールバーのscafをクリックして解除し、両方のステープルを延長してゲート鎖を形成させます。ステープルを編集してください。この延長が必要な場合は、ヘリックス0および61のゲート鎖に対しても同様に繰り返します。スキャホールド配列を選択するには、シークツールをクリックします。スキャホールドストランド上の任意の場所にカーソルを合わせクリックすると、スキャホールドDNAソースの選択を求めるダイアログボックスが開きます。ダイアログボックス内で M 13 MP 18 をクリックしてください。選択したDNA配列が、下部パネルのスキャホールドおよびステープルストランドに追加されたことを確認します。最後に、上部ツールバーのexportをクリックし、ステープルリストの保存先ファイル名を選択して、ステープル配列をスプレッドシートとしてエクスポートします。saveをクリックしてください。このビデオでは、DNAオリガミナノロボットを設計するためのステップバイステップのプロセスを実演しました。まず、形状の断面をここで概説しました。この概説に続いて、スキャフォールドストランド断片の自動編集を行い、スキャフォールドパス全体を完成させました。ここでは、下パネルと右パネルの全般的なビューを示しており、編集操作に伴って3Dモデルがどのようにリアルタイムで変化するかを実演しています。オートステープル操作後のブループリントに示されているように、ステープルストランドが自動的に追加されました。この画像では、下パネルと右パネルのステープルの色が一致しています。その後、オートブレーク操作後のブループリントに示されているように、ユーザー定義のパラメータに基づいてステープルストランドが分割されました。次に、デバイスの目的とする機能に合わせて、ステープルストランドを手動で編集しました。ヘリックス 29 と 30 の間の全領域において、この設計図では両者を結ぶクロスオーバーが存在しないことがわかります。手動編集後、下パネルに示されているのがローディングサイトのステープルの表示です。不要となったガイドHELOCsを除去した後、この画像は、HELOC 29および30からのGAストランドとして使用される2本のステープルの伸長を示しています。ゲイト二本鎖の形成には、これら2本のストランドが互いに反対方向を向いていることが不可欠であることに注意してください。これは、本手順で設計された最終モデルのTEM画像です。サンプルはウラニル酢酸で染色し、著者らによる以前の報告に記載されている通りにGL透過電子顕微鏡で観察した。このビデオを視聴することで、任意の用途に合わせてDNAオリガミからロボットを設計する方法について十分に理解できるはずである。

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Research

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Bioengineering

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