단일 가닥 DNA 타일에서 단지 두 차원 모양의 자기 조립 (self-assembly)

Summary

DNA 타일링은 프로그래밍 가능한 나노 구조를 만드는 효과적인 접근 방식입니다. 우리는 단일 가닥 DNA 타일의 자체 조립에 의해 복잡한 2차원 모양을 구성하는 프로토콜을 설명합니다.

Abstract

현재 DNA 나노 아키텍처의 방법은 자체 조립의 원리를 사용하여 다양한 2D 및 3D 구조를 성공적으로 엔지니어링했습니다. 이 기사에서는 분자 캔버스에서 분자 픽셀로 작용하는 고유한 주소 지정 가능한 단일 가닥 DNA 타일의 자체 조립을 통해 정교한 2D 모양을 제작하는 방법에 대한 자세한 프로토콜에 대해 설명합니다. 각 SST(single-stranded tile)는 4개의 연결된 모듈식 도메인으로 구성된 42개의 뉴클레오티드 DNA 가닥으로, 자가 조립 중에 4개의 이웃에 결합합니다. 분자 캔버스는 SST에서 자체 조립된 직사각형 구조입니다. 310픽셀 분자 캔버스에서 구성 분자 픽셀(SST)을 선택한 다음 해당 가닥에 원팟 어닐링을 적용하여 규정된 복잡한 2D 모양을 형성합니다. SST 접근 방식의 모듈식 특성으로 인해 이 방법의 확장성, 다양성 및 견고성을 보여줍니다. 다른 방법과 비교했을 때, SST 방법은 de novo 설계 및 합성된 짧은 DNA 가닥을 사용하여 정보 폴리머 및 염기서열을 더 폭넓게 선택할 수 있습니다.

Introduction

^{5,8,10 - -} 이전 핵산 자기 조립 작업 ^1-25는 DNA의 ^2를 포함하여 복잡한 구조의 다양한의 성공적인 건설을 주도하고있다 ^13,17,23 또는 RNA ^{7,22주기 3,4,7, (22)와} 알고리즘 ⁵ 개의 차원 격자, 리본 ^{(10, 12)} 및 튜브 ^4,12,13, 3D 크리스탈 ^(17), 다면체 ^(11)과 유한은, 2D는 ^{7,8 모양. 16, 18 - - 21, 25} 하나의 발판 가닥이 복잡한 형상 ^9,14를 형성하기 위해 많은 짧은 보조 스테이플 가닥으로 접어된다 특히 효과적인 방법은 DNA 종이 접기를 스캐 폴딩된다.

최근 우리는 단일 가닥 타일 (SST)를 사용하여 소정 형상으로 2D 이산 나노 구조체를 구성하기위한 방법을보고하고, DNA 접기 ^(26)에 필적하는 복잡성과 구조를 보여 주었다. 이 articl전자는 우리의 초기 작업 ^(26)의 적응하고 정확하게 규정 된 크기 (폭과 길이) 및 형태학 정교한 유한 2D 형태로 개별적으로 어드레스 해수면 온도....

Protocol

1. DNA 시퀀스 디자인

1. 28T 캔버스 × 24H를 만들 이중 나선, 각각의 이중 나선을위한 상하 나선의 길이의 수, 교차 패턴을 지정하여 SST-한정된 구조를 설계 UNIQUIMER 소프트웨어 ^(27)를 사용한다. 이러한 매개 변수를 정의한 후, 전체 구조 (스트랜드 조성물 및 상보성 배열)은 그래픽 프로그램에서 도시된다.
2. 보완 장치 및 추가 요구 사항 (있는 경우)를 충족시킬 수있는 특정 구조의 가닥을위한 시퀀스를 생성합니다. (구조체의 대부분) 서열 ^{28 대칭성을} 최소화하여 DNA 서열을 디자인.
   1. 뉴클레오티드 (A, C, G 및 T)에 의해 하나 하나를 랜덤하게 생성한다.
   2. T와 반대로; 것과 상보 일치 뉴클레오티드 염기쌍 규칙 다음 생성 C G와 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
   3. 8-9 뉴클레오티드 이상 반복 세그먼트를 사용하지 마십시오. 때와 같은 대표반복 세그먼트 요건이 만족 될 때까지 세그먼트를 설계 중에 등장 먹고, 가장 최근에 생성 된 뉴클레오티드 돌연변이.
   4. 4 개의 연속적인 A, C, G, 또는 T 염기를 사용하지 마십시오.
   5. 두 경우에, 즉 (결합 지점 주위 염기 슬라이딩 피하기 위해 (가닥의 ....

Results

해수면 온도 (도 1)의 자기 조립은도 2에 도시 된 바와 같이 다른 해수면 온도에 대한 DNA 서열은 스트렙 라벨링 있도록 최적화 / 변형 될 수있다., 28T 구형 × 24H을 얻었다 (도 3 및 4)의 변형 것 직사각형 튜브 (도 5), 튜브 및 다양한 크기의 사각형 (도 10)을 형성 해수면 온도의 프로그래머블 자기 조립 및 분자 캔버스 (도 8)를 이용하여, 임의의 2 차원 형상의 구조. 솔루션은 임의의 모양 (그림 7)의 노출 영역을 따라 응집으로 두 디자인 (도메인 대체 설계 및 에지 보호 설계) 시험 하였다. 두 가지 설계는 유사한 겔 수율 및 구조적 일체 성을 가지고 있지만, 더 적은 보조 종 (도 6)을 필요로하기 때문에 에지 보호 설계는 .......

Discussion

구조 형성 공정에서, 자기 조립 DNA 나노 구조에 DNA 가닥 혼합물 (예., 15 mM)을 마그네슘 양이온의 적절한 농도를 유지하는 것이 중요하다. 유사하게, 아가로 오스 겔 특성화 / 정제 단계에서, 그것은 적절한 마그네슘 양이온 농도를 유지하는 것이 중요하다 (예., 10 mM)을 겔 전기 영동시 DNA 나노 구조를 유지하기 위해 겔 주행 버퍼. 28T 사각형 구조 × 24H를 들어, 우리는 다른 마그네슘 ^{+ +} 농도 어닐링을 시험하고 구조가 일반적으로 10의 범위에서 형성되는 것을 발견 - (20 mM의 마그네슘 ^{+ +와} 함께 최고의 형성 수율) 30 mM의 마그네슘 ^{+ +.}

스캐 폴딩 종이 접기 구조와는 달리, SST 구조는 모듈 형 아키텍처를 가지고있다. 다른 모양은 SST 타일의 적절한 서브 세트를 선택함으로써 동일한 캔버스에서 설계 될 수있다. 또한 SST 구조 아프로 .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DNA 가닥	통합 DNA 기술		섹션 3.1
SYBR 안전한 DNA 겔 염색	Invitrogen	S33102	섹션 3.4.2
Freeze'N Squeeze DNA 겔 추출 스핀 컬럼	BIO-RAD	731-6166	섹션 3.6
Bruker의 날카로운 질화물 레버 프로브	Bruker AFM 프로브	SNL10	섹션 4.3
Safe Imager 2.0 블루 라이트 Transilluminator	Invitrogen	G6600	Section 3.6
Centrifuge 5430R	Eppendorf	5428 000.414	Section 3.6
Transmission Electron Microscope	Jeol	Jem 1400	Section 7.4
Multimode 8	Veeco		Section 4
Typhoon FLA 9000 Laser Scanner	GE Heathcare Life Sciences	28-9558-08	Section 3.5
Ultrapure Distilled water	Invitrogen	10977-023	Section 3.7.1
Mica disk	SPI Supplies	12001-26-2	Section 4.1
Steel mounting disk	테드 펠라, Inc.	16218	TEM
전자 현미경 과학	탄소 코팅 구리 그리드	FCF400-Cu	섹션 7.2
핀셋	Dumont	0203-N5AC-PO	섹션 7.31
글로우 방전 시스템	Quorum Technologies	K100X	섹션 7.2
DNA 엔진 Tetrad 2 Peltier 열 순환기	BIO-RAD	PTC– 0240G	섹션 3.3
Owl Easycast B2 미니 겔 전기 영동 시스템	ThermoScientific	B2	섹션 3.4.3
Seekam LE Agarose 500G	Lonza	50004	섹션 3.4.1
GeneRuler 1kb Plus DNA 사다리, 즉시 사용 가능 75-20000bp	ThermoScientific	SM1333	섹션 3.4.4
Nanodrop 2000c UV-vis 분광 광도계	ThermoScientific		섹션 3.7
0.2 um 필터	코닝 Inc.	431219	섹션 7.1.2