DNA 종이 접기에서 바이오 반응 로봇을 설계

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 클릭하고 연장 길이를 선택하여 길이를 늘릴 수 있습니다. 모양 전체에 걸쳐 실제 스캐폴드 가닥 경로를 그리려면 마우스 버튼을 누르십시오.

첫 번째 헬릭스부터 시작하여 처음에 선택한 순서대로 모든 헬릭스를 연속적으로 따라갑니다. 스캐폴드 경로의 가장 왼쪽 가장자리 전체에 사각형을 그립니다. 선택한 가장자리들을 그룹으로 묶어 그리드의 왼쪽으로 드래그하여 스캐폴드 경로를 확장합니다.

경로가 적절히 확장될 때까지 이 과정을 반복하고 서술된 텍스트에 따라 브리지 아이콘을 확인한 후, 크로스오버를 생성할 준비를 합니다. 원하는 브리지 아이콘을 마우스 왼쪽 버튼으로 클릭하십시오. 스캐폴드 크로스오버가 생성되며, 이는 이 지점에서 스캐폴드가 헬릭스에서 헬릭스로 가로지름을 의미합니다.

스캐폴드가 모든 헬릭스를 가로질러 전체 형상을 아우르는 폐쇄 루프를 형성하여, 이 형상의 나머지 부분으로부터 고립된 영역이 남지 않을 때까지 이 과정을 반복합니다. 설명된 로봇은 정의된 생물학적 입력에 반응하여 개방되면서 그 페이로드를 노출합니다. 개방은 두 개의 절반이 두 개의 축을 중심으로 회전하는 껍질과 같은 방식으로 이루어집니다.

축은 헬릭스 29와 30, 그리고 61과 0 사이의 크로스오버로 형성되며, 이들은 해당 절반 사이의 유일한 크로스오버로서 그리드의 왼쪽 가장자리 내부 또는 인근에만 위치합니다. 오른쪽 가장자리에는 게이트 가닥이 포함됩니다. 헬릭스 29와 30 사이에 기존에 존재하는 크로스오버를 삭제하십시오.

교차점을 제거하려면 어느 한 가닥의 무릎 지점(knee point)을 클릭하십시오. 이렇게 하면 교차점이 있던 양쪽 가닥에 닉(nick)이 남게 됩니다. 닉을 잇기 위해 shift 키를 누른 상태로 각 닉을 클릭하고, 그리드의 왼쪽 가장자리에 최대한 가깝게 헬릭스 29와 30 사이에 새로운 교차점을 생성하십시오.

그런 다음 헬릭스 61과 0 사이에 그리드의 왼쪽 가장자리에 최대한 가깝게 새로운 크로스오버를 생성하고, 로봇의 내부 방향을 향하는 4개의 로딩 사이트를 정의하십시오. 로딩 사이트는 헬릭스 3 27, 34, 58에서 분기됩니다. 상단 패널의 각 사이트에 대해, 내부 방향을 향하며 해당 헬릭스들과 인접한 헬릭스를 클릭하십시오.

이렇게 하면 하단 패널의 그리드에 헬릭스가 추가됩니다. 스테이플을 추가하고 편집하기 위해 이 라인들을 아직 다시 클릭하지 마십시오. 먼저 자동 스테이플(auto staple)을 클릭하십시오.

소프트웨어가 다양한 색상의 스테이플 서열을 자동으로 추가합니다. 오른쪽 패널의 3D 형상에 스테이플이 추가되었음을 확인하십시오. 스테이플 색상은 하단 패널과 오른쪽 패널에서 동일하게 적용됩니다.

또한 인터페이스의 왼쪽 하단 모서리에는 스태플(staple)이 너무 길거나 너무 짧거나 또는 원형일 경우 자동으로 편집할 수 없음을 나타내는 표시등이 있습니다. 이 기준을 충족하려면 auto break를 클릭하십시오. 그러면 이 작업에 대한 사용자 정의 매개변수를 요청하는 대화 상자가 열리는데, 기본 매개변수를 사용하고 okay를 클릭하십시오. 소프트웨어는 이러한 매개변수에 따라 가능한 최선의 방법으로 스태플을 분할합니다.

나선 29와 30, 그리고 61과 0 사이의 모든 스테이플 교차 지점을 제거하여 이 나선들이 분리되고 로봇이 열릴 수 있도록 합니다. 스테이플 교차 지점을 제거하면 이 작업의 결과로 너무 짧아지거나 비합리적이게 된 스테이플을 수정하기 위해 일부 수동 편집이 필요합니다. 이를 적절하게 수행하려면 텍스트 프로토콜의 지침을 따르십시오. Shift 키를 누른 상태에서 나선 29에 있는 두 스테이플 사이의 닉(nick)을 클릭하여 제거합니다.

마찬가지로 Strand 30의 세 가지 스테이플을 단일 스테이플로 보입니다. 스테이플은 가장자리를 클릭하고 원하는 대로 드래그하여 수동으로 연장하거나 단축할 수 있습니다. 이때 어떤 스테이플도 원형으로 만들지 않도록 주의하십시오. HELOC 0과 61에 대해서도 이 과정을 반복하고 각 헬릭스의 모든 스테이플을 수동으로 편집하십시오.

굵은 선으로 표시된 스테이플을 찾으십시오. 이는 추가 편집이 필요함을 의미합니다. 각각을 검토하여 필요에 따라 수정하십시오. 예를 들어, 너무 짧은 스테이플은 가능하다면 지우거나 연장할 수 있습니다.

둘째로, 상단 패널에서 로딩 사이트 헬릭스를 클릭하고, 하단 패널에 나타나는 스캐폴드 가닥 단편의 가장자리를 클릭하여 원하는 대로 드래그함으로써 이를 확장합니다. 왼쪽 패널의 가이드 헬릭스 위에서 shift 키를 누른 상태로 클릭하여 스캐폴드를 따라 원하는 위치에 주황색 수직 막대를 배치함으로써 이 스캐폴드 단편들에 스테이플을 수동으로 추가합니다. 이렇게 하면 각 헬릭스에 스테이플 전구체가 추가됩니다.

클릭 후 드래그하여 가이드 가닥과 섀시 사이의 교차 지점을 나타내는 빨간색 브리지 아이콘을 찾아 스테이플 전구체들을 전체 길이로 확장하십시오. 교차 지점을 도입하기에 가장 적절한 위치를 선택하고 브리지 아이콘을 클릭하십시오. 적절한 위치란 섀시 내의 기존 스테이플 수정을 최소화할 수 있는 위치를 의미합니다.

가이드 헬릭스에서 로딩 부위가 아닌 스테이플 부분을 삭제하고, 참여하는 부분을 원하는 길이로 단축하십시오. 원하는 길이는 서로 다른 유형의 카고에 대한 특이성과 결합 강도를 모두 제공해야 합니다. 일반적으로 18 mer 꼬리면 적당합니다.

스테이플이 가는 선으로 그려져 있는지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우, 섀시 내에 위치할 때까지 수정하십시오. 변경된 스테이플을 필요에 따라 수정하십시오.

가이드 서열을 제거하고 스테이플 확장 부위만 남깁니다. 게이트 가닥(gait strands)을 설계하기 위해 모든 로딩 사이트에 대해 이 단계를 반복하십시오. 먼저, 게이트 가닥의 적절한 위치를 찾으십시오.

이들은 헬릭스 29, 30, 61 및 0의 스테이플이 될 것입니다. 예를 들어, 29에서 30으로 이어지는 게이트 영역을 살펴보십시오. 그리드의 우측에서 헬릭스 29와 30의 양옆에 위치하며 게이트 가닥으로 사용할 수 있는 편리한 스테이플 가닥들이 있습니다.

이들이 서로 반대 방향을 향하고 있음에 유의하십시오. 잠재적 게이트 가닥 중 하나의 가장자리를 클릭하여 도형 외부로 확장하십시오. 가장자리가 스캐폴드 교차점 위에 있는 경우, 스테이플만 선택 가능하게 설정하여 선택 과정을 단순화할 수 있습니다.

인터페이스 오른쪽 상단의 선택 가능한 툴바에서 scaf를 클릭하여 해제함으로써, 두 스테이플을 확장하여 게이트 가닥을 형성합니다. 스테이플을 편집하십시오. 이 확장이 필요한 경우, 헬릭스 0과 61의 게이트 가닥에 대해서도 이 과정을 반복하십시오.

스캐폴드 서열을 선택하려면 검색 도구를 클릭하십시오. 스캐폴드 가닥의 아무 곳에나 커서를 놓고 클릭하면 스캐폴드 DNA 소스를 선택하는 대화 상자가 나타납니다. 대화 상자에서 M 13 MP 18을 클릭하십시오. 선택한 DNA 서열이 하단 패널의 스캐폴드 및 스테이플 가닥에 추가되었는지 확인하십시오.

마지막으로, 상단 도구 모음에서 export를 클릭하고 스테이플 목록의 저장 파일 이름을 지정하여 스테이플 서열을 스프레드시트로 내보냅니다. save를 클릭하십시오. 본 영상에서는 DNA 오리가미 나노 로봇 설계의 단계별 과정을 시연하였습니다.

먼저 도형의 단면 외곽선을 그렸습니다. 외곽선을 그린 후 스캐폴드 가닥 단편을 자동으로 편집하고 전체 스캐폴드 경로를 완성했습니다. 여기서는 하단 및 우측 패널의 전체 뷰를 통해 편집 작업에 따라 3D 모델이 실시간으로 어떻게 변경되는지 보여줍니다.

자동 스테이플(auto staple) 동작 후 청사진(blueprint)에서 볼 수 있듯이 스테이플 가닥들이 자동으로 추가되었습니다. 이 이미지에서 하단 패널과 우측 패널의 스테이플 색상은 일관되게 나타납니다. 그 후, 자동 브레이크(auto brake) 동작 이후의 청사진에 표시된 것처럼 사용자 정의 파라미터에 따라 스테이플 가닥들이 분절되었습니다.

다음으로, 장치의 원하는 기능에 맞게 스테이플 가닥들을 수동으로 편집하였습니다. Helix 29와 30 사이의 전체 간격을 통해 이 설계도에서는 두 헬릭스를 연결하는 교차 지점이 없음을 알 수 있습니다. 수동 편집 후 하단 패널에 표시된 로딩 사이트 스테이플의 모습은 다음과 같습니다.

더 이상 필요하지 않은 가이드 HELOC를 제거한 후, 이 이미지는 HELOC 29와 30에서 GA 가닥으로 사용될 두 개의 스테이플이 연장된 모습을 보여줍니다. 두 가닥이 서로 반대 방향을 향하고 있는데, 이는 게이트 듀플렉스(gait duplex) 형성을 위해 필수적입니다. 이것은 본 절차에서 설계된 최종 모델의 TEM 이미지입니다.

시료는 저자들의 이전 보고서에 기술된 것과 동일하게 우라닐 포맷으로 염색하고 GL 투과 전자 현미경으로 이미징하였습니다. 이 영상을 시청한 후에는 원하는 모든 응용 분야를 위한 DNA 오리가미 로봇 설계 방법을 충분히 이해하게 될 것입니다.