Name: DNA 종이 접기에서 바이오 반응 로봇을 설계 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: 배우세요 DNA 종이 접기를 이용한 나노 로봇 설계 방법을 CAD nano 소프트웨어로. 이 기술은 생물학적 신호에 반응하는 반응형 장치를 만들어 약물 전달 및 바이오센싱에 활용할 수 있습니다.

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저자는 매우 가치있는 토론과 조언과 도움이 토론과 작품에 대한 좌파 연구실의 모든 구성원에 대한 S. 더글러스 감사드립니다. 이 작품은 바 일란 대학의 나노 기술 및 고급 재료의 생명 과학 연구소 학부에서 교부금에 의해 지원됩니다.

<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>

저자는 공개 아무것도 없어.

DNA 종이 접기는 우리가 나노 스케일에서 임의의 기능을 정확하게 정의 된 개체를 조작 할 수 있습니다. 중요한 다음 단계는이 디자인에 기능 통합 될 것입니다. 많은 응용 프로그램과 도전이 기술로 해결 될 수 있지만 이러한 DNA의 자연 환경을 대표로, DNA 종이 접기의 치료 및 과학 로봇 제작에 특별한 관심이있다. DNA는 이미 유전 정보 저장 매체로 세포에서 분자 기계와 인터페이스를 제공합니다. 흥미롭게도, 나노 로봇 또는 다른 기계에있는 접힌 DNA는 여전히 출력 시퀀스의 일부로, 나노 로봇 붕괴 후 원하는 단백질의 발현에 전달 될 수있는 건축 재료 일뿐만 아니라 유전 정보로 제공 할 수 있습니다. 이 문서에 설명 된 예제에서, 우리는 로봇을 운영하는 제한 효소를 사용합니다. DNA 로봇이 respon 수있는 그러나, 추가 메커니즘입력에 D는 다음과 같습니다. 분자 인식 : 우리가 최근 대상 셀 (20)의</...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>학생/학술 계정을 먼저 만들어야 합니다(<a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (소프트웨어)(</td><td>오픈 소스)</td><td></td><td>DNA 종이 접기 구조 설계를 위한 소프트웨어<a href="http://cadnano.org/" target="_blank"의 플랫폼별 지침 참조>http:// cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (웹페이지)</td><td>(오픈 소스)</td><td></td><td>DNA 종이 접기 모양의 시뮬레이터를 실행하는 웹 페이지 <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

dna 종이 접기에서 바이오 반응 로봇을 설계

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

핵산일까요 다재다능하다. 생물 정보 1 저장 매체로 그들의 자연적인 역할뿐만 아니라, 그들은 병렬 컴퓨팅 2,3에 활용 될 수 생물의 인식 및 분자 또는 세포 표적 4,5 결합, 화학 반응에게 6,7을 촉진하고, 계산 된 응답을 생성 시스템 8,9. 중요한 것은, 핵산 원하는 효과를 발휘하기 위해서는 사전 반응 생물학적 신호의 감지를 연결하는 하나의 로봇이 모든 놀라운 기능의 통합을 가능하게 2D 및 3D 구조를 10-12로 자기 조립 (self-assembly)을 프로그래밍 할 수 있습니다. 핵산에서 도형을 만들어 처음으로 시먼 (13)에 의해 제안되었으며,이 주제에 대한 몇 가지 변화는 이후 다양한 기술에게 11,12,14,15를 사용하여 실현되었다. 그러나 가장 중요한이 되나 비계 DNA 종이 접기, 아마도 Rothemund에 의해 제안 된 하나16. 이 기법에서는, 긴 (&gt; 7,000 기지) 단일 가닥 DNA &#39;발판&#39;의 폴딩은 &#39;스테이플&#39;라고 짧은 보완 가닥의 수백에 의해 원하는 형태로 전달된다. 접는는 온도 열처리 램프에 의해 수행됩니다. 이 기술은 성공적으로 놀라운 정밀도와 안정성을 가진 2 차원 도형의 다양한 배열의 생성에 증명되었다. DNA 종이 접기는 나중에도 17,18으로 3D로 확장되었다. 현재 문서는 더글라스와 동료에 의해 ​​개발 caDNAno 2.0 소프트웨어 19에 초점을 맞출 것이다. caDNAno는 다양한 기능을 갖춘 2D 및 3D DNA 종이 접기 모양의 디자인을 가능하게하는 강력하고 사용자 친화적 인 CAD 도구입니다. 설계 과정은 비교적 간단하고 효율적으로 만드는 DNA 구조에 대한 체계적이고 정확한 추상화 방식에 의존합니다. 본 논문에서 우리는 DNA 종이 접기 NA의 디자인을 보여최근 20 설명했습니다 norobot. 이 로봇은 작업을 수행하기 위해, 작동을 감지 링크되었음을 의미에서 &#39;로봇&#39;입니다. 우리는 다양한 감지 방식은 구조에 통합 할 수있는 방법을 설명하고, 어떻게이 원하는 효과를 전달 할 수 있습니다. 마지막으로 우리는 설계 형상의 기계적 특성을 시뮬레이션 Cando 21을 사용합니다. 우리가 논의 개념은 여러 작업 및 설정에 적용 할 수 있습니다.

<html> 수치는 1-25 설계 프로세스 단계별로 보여주는 caDNAno 2.0 인터페이스의 스크린 샷입니다. 형상의 단면을 먼저 비계 가닥 조각과 전체 발판 경로 (그림 7)의 완료의 자동 첨가하여 (그림 3) 설명했습니다. 스테이플 가닥이 자동으로 (그림 12) 추가 된 사용자 정의 매개 변수 (그림 14)에 따라 고장, 장치의 원하는 기능 (그림 15-18)에 스테이플을 적응 수동으로 편집. 수치는 23-24 로딩 방법을 설명하는 사이트 게이트 가닥을 추가하고 편집합니다. 마지막으로, 그림 27은 여기에 설계 모델의 TEM 이미지를 보여줍니다. &quot;/&gt; ...

DNA 종이 접기 DNA 분자의 자기 조립을 프로그래밍하여 정확한 나노 물체를 제조하기위한 강력한 방법입니다. 여기, 우리는 DNA 종이 접기는 생물학적 신호를 감지하고 모양이 연속적으로 원하는 효과를 전달, 이동하여 응답 할 수있는 로봇 로봇을 설계에 활용 될 수있는 방법에 대해 설명합니다.

DNA 종이 접기에서 바이오 반응 로봇을 설계

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

이 절차의 전반적인 목표는 CAD nano 소프트웨어를 사용하여 DNA origami 기반의 로봇 장치를 설계하는 것입니다. 우선 CAD nano를 설치하고 이를 활용해 로봇의 일반적인 형태를 구상함으로써 이를 수행합니다. 두 번째 단계는 스캐폴드 가닥의 경로를 설계하는 것입니다.다음으로, 스테이플(staples)을 삽입하고 편집합니다. 마지막 단계는 페이로드(payload), 부착 부위 및 게이트를 포함한 제어 기능을 설정하는 것입니다. 최종적으로, 조립 전 주문을 위한 DNA 부품 목록이 생성됩니다.이 기술의 주요 장점은 다양한 응용 분야를 위한 DNA origami 구조물의 설계를 단순화하고 표준화한다는 점입니다. 본 절차의 시연은 제 연구실에서 DNA origami 로봇의 동역학을 연구하고 있는 박사후 연구원 Alad Bei가 진행하겠습니다. 이 절차를 시작하려면 CAD nano two와 Autodesk Maya 2012를 다운로드하여 설치하십시오.http://cadnano.org의 지침에 따르면, Maya 내 CAD nano의 설계 인터페이스는 세 개의 패널로 구성됩니다. 상단 패널은 형상을 처음으로 설계하는 래티스 뷰(lattice view)입니다.이 패널은 이중 나선 수준의 조작을 가능하게 하며 구조의 단면도를 제공합니다. 하단 패널은 편집 패널로, 단일 염기 수준의 조작이 가능합니다. 우측 패널은 Maya로 생성된 구조의 실시간 3D 모델입니다.격자 구조를 확대하거나 축소하려면 허니콤 아이콘을 클릭하십시오. 상단 패널에서는 마우스로 조작할 수 있으며, 각각 위아래로 스크롤하여 확대 및 축소하십시오.먼저, 왼쪽 패널에서 원하는 모양의 섹션을 그리십시오. 각 원은 이중 DN을 나타내며, 모양을 형성할 헬릭스를 선택하려면 해당 중심을 왼쪽 클릭하십시오. 전체 모양의 윤곽이 잡힐 때까지 헬릭스를 하나씩 계속 선택하십시오.또는 마우스 왼쪽 버튼을 누른 채 모양의 외곽선을 계속 그려서 형태를 지정할 수 있습니다. 하단 패널을 확인하십시오. 각 헬릭스는 두 줄의 정사각형으로 표시됩니다.각 행은 이중 나선의 두 가닥을 나타냅니다. 각 정사각형은 염기를 나타내며, 주황색 수직 막대는 나선을 따라 편집 작업이 수행되는 위치를 결정합니다. 그리드를 따라 염기의 위치는 주황색 막대 위의 숫자로 표시됩니다.헬릭스 프레임워크의 기본 길이는 42 bases입니다. 편집 패널 우측 상단에 있는 회색 화살표 아이콘 중 하나를

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DNA 종이접기는 DNA 분자의 자기 조립을 프로그래밍하여 정밀한 나노 크기의 물체를 제작하는 강력한 방법입니다. 여기에서는 DNA 종이접기에서 생체 반응성 로봇을 접는 프로토콜, 투과 전자 현미경 이미징(TEM)을 위한 정제 및 음성 염색에 대해 설명합니다.

DNA 접기에서 바이오 응답 로봇의 폴딩 및 특성화

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

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벤치탑 RCA 세척 및 산화규소 유도체화를 포함하여 DNA 종이접기 연구에 사용되는 기질에 대한 재현 가능한 세척 공정에 대해 설명합니다. 표면 준비, DNA 종이접기 증착, 건조 매개변수 및 간단한 실험 설정에 대한 프로토콜이 설명되어 있습니다.

DNA 종이 접기 분석 및 실험에 대한 운모와 실리콘 기판의 제조

여기, 모듈형 DNA "장치" 어셈블리 액체 처리 로봇에 모듈형 복제 DNA 어셈블리 메서드를 사용 하 여 수행 하는 자동화 된 워크플로 제공 됩니다. 프로토콜 조합 DNA 장치 라이브러리 생성, 우리는 두 액체 처리 플랫폼을 사용 하 여 설명 하는 액체 처리기 선택 목록 생성 하기 위한 소프트웨어 도구를 사용 합니다.

모듈형 DNA 장치 조립 로봇 액체 처리 자동화

우리는 디자인, 시뮬레이션, 젖은 실험실 실험 및 아코디언 랙 6으로 6 메시의 DNA의 재구성에 대 한 분석에 대 한 상세한 프로토콜을 설명합니다.

재구성 가능한 DNA 아코디언 랙의 설계 및 합성

여기, 키토 산 천연 양이온 다 당 류 및 합성 선형 polyethyleneimine (LPEI) 코팅을 사용 하 여 Mg 고갈 및 nuclease 리치 미디어에서 DNA 종이 접기 nanostructures의 보호를 위한 프로토콜 제공 됩니다.

유전자 치료 DNA 종이 접기 Nanostructures의 보호를 위한 Polycation 코팅을 영감

우리는 DNA 종이 접기 기반 어셈블리 골드 nanorods의 강한 chiroptical 응답 랄 plasmonic metamolecules에 대 한 상세한 프로토콜을 설명합니다. 프로토콜 랄 구성에 국한 되지 않습니다 하 고 다양 한 plasmonic 아키텍처의 제작을 위해 쉽게 적응 시킬 수 있다.

DNA 종이 접기 서식 파일을 사용 하 여 키 랄 Plasmonic Metamolecules로 금 Nanorods의 조립

여기서, 우리는 DNA 종이 접기 모양을 안내 템플릿으로 사용하여 기판에 이산적이고 정확한 무기 나노 구조를 만드는 프로토콜을 설명합니다. 이 방법은 투명 기판 (사파이어)에 플라스모닉 골드 나비 넥타이 모양의 안테나를 만들어 입증된다.

감지 응용 을 위한 무기 구조물의 DNA 종이접기 중재기 나노patterning

이 프로토콜의 목표는 DNA 종이 접기 나노 구조에 분자 모터의 앙상블을 형성하고 총 내부 반사 형광 현미경을 사용하여 앙상블 운동성을 관찰하는 것입니다.

단일 분자 관찰을 위한 DNA 종이 접기 나노 구조에 다인 및 키네신 모터 앙상블 생산

생체 영감 스캐폴드는 기계적으로 견고하고 전기 전도성 하이드로겔을 사용하여 부드러운 포토리소그래피 기술로 제작됩니다. 마이크로 패턴 하이드로겔은 방향성 심근세포 정렬을 제공하여 맞춤형 작동 방향을 제공합니다. 유연한 마이크로 전극은 또한 자체 작동 심장 조직에 대한 전기 제어 성을 가지고 스캐폴드에 통합되어 있습니다.

통합 된 마이크로 전극을 가진 바이오 영감 소프트 로봇

우리는 시험관 내 전사 반응을 조절하기 위해 새로운 DNA 테더T7 RNA 폴리머라제의 엔지니어링을 설명합니다. 우리는 단백질 합성 및 특성화를 위한 단계를 논의하고, 개념 증명 전사 적 조절을 검증하며, 분자 컴퓨팅, 진단 및 분자 정보 처리에 대한 응용 분야에 대해 논의합니다.

시험관 내 전사 및 분자 계산을 위한 DNA 테더드 RNA 폴리머라제

배우세요 DNA 종이 접기를 이용한 나노 로봇 설계 방법을 CAD nano 소프트웨어로. 이 기술은 생물학적 신호에 반응하는 반응형 장치를 만들어 약물 전달 및 바이오센싱에 활용할 수 있습니다.

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