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>
<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>

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

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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。...

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ベンチトップRCA洗浄や酸化ケイ素の誘導体化など、DNAオリガミ研究で使用される基質の再現性のある洗浄プロセスが説明されています。表面調製、DNA折り紙の堆積、乾燥パラメータ、および簡単な実験セットアップのプロトコルが示されています。...

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