Method Article

Samoorganizacja złożonych dwuwymiarowych kształtów z jednoniciowych płytek DNA

DOI:

10.3791/52486

⸱

May 8th, 2015

 ,  ,  , 
1Tsinghua-Peking Center for Life Sciences, School of Life Sciences, Tsinghua University, 2Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University, 3Department of Systems Biology, Harvard Medical School

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kafelkowanie DNA jest skutecznym podejściem do tworzenia programowalnych nanostruktur. Opisujemy protokoły konstruowania złożonych dwuwymiarowych kształtów poprzez samoorganizację jednoniciowych płytek DNA.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Obecne metody w nano-architekturze DNA z powodzeniem zaprojektowały różnorodne struktury 2D i 3D przy użyciu zasad samoorganizacji. W tym artykule opisujemy szczegółowe protokoły wytwarzania wyrafinowanych kształtów 2D poprzez samoorganizację unikalnie adresowalnych jednoniciowych płytek DNA, które działają jak piksele molekularne na molekularnym płótnie. Każda jednoniciowa płytka (SST) to 42-nukleotydowa nić DNA złożona z czterech połączonych domen modułowych, które wiążą się z czterema sąsiadami podczas samoorganizacji. Płótno molekularne to prostokątna struktura samoskładająca się z SST. Określony złożony kształt 2D jest tworzony przez wybranie składowych pikseli molekularnych (SST) z 310-pikselowego płótna molekularnego, a następnie poddanie odpowiednich pasm wyżarzaniu w jednym garnku. Ze względu na modułowy charakter podejścia SST pokazujemy skalowalność, wszechstronność i solidność tej metody. W porównaniu z metodami alternatywnymi, metoda SST umożliwia szerszy wybór polimerów i sekwencji informacyjnych dzięki zastosowaniu zaprojektowanych i zsyntetyzowanych de novo krótkich nici DNA.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Poprzednie prace nad samomontażem kwasów nukleinowych1-25 doprowadziły do udanej budowy różnych złożonych struktur, w tym DNA2–5,8,10–13,17,23 lub RNA7,22 okresowego3,4,7,22 i algorytmicznego5 dwuwymiarowych sieci, wstęg10,12 i rurek4,12,13, kryształów 3D17, wielościanów11 i skończonych, kształtów 2D7,8. Szczególnie skuteczną metodą jest origami DNA na rusztowaniu, w którym pojedyncza nić rusztowania jest składana przez wiele krótkich pomocniczych nici zszywek, tworząc złożony kształt9,14–1....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Projekt sekwencji DNA

  1. Użyj oprogramowania UNIQUIMER27, aby zaprojektować skończoną strukturę SST, określając liczbę podwójnych helis, długości górnej i dolnej helisy dla każdej podwójnej helisy oraz wzór zwrotnicy, aby utworzyć płótno 24H × 28T. Po zdefiniowaniu tych parametrów, ogólna architektura (skład pasm i układ komplementarności) jest zilustrowana graficznie w programie.
  2. Wygeneruj sekwencje dla nici określonej struktury, aby spełnić układ komplementarności i dodatkowe wymagania (jeśli występują). Projektuj sekwencje DNA, minimalizując symetrię sekwencji28 (dla większości struktur).
    1. Generuj nukleotydy (A....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Samodzielna organizacja SST (Rysunek 1) da prostokąt 24H × 28T, jak pokazano na rysunku 2. Sekwencje DNA dla różnych SST mogą być modyfikowane/optymalizowane, aby umożliwić znakowanie streptawidyną (Figura 3 i 4), przekształcenie prostokąta w rurkę (Figura 5), programowalny samomontaż SST w celu utworzenia rurek i prostokątów o różnych rozmiarach (Rysunek 10) oraz konstrukcję dowolnych kształtów 2D przy użyciu płótna mol.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Na etapie tworzenia struktury ważne jest utrzymanie odpowiedniego stężenia kationów magnezu (np. 15 mM) w mieszaninie nici DNA, aby samoorganizować nanostruktury DNA. Podobnie, na etapie charakteryzacji/oczyszczania żelu agarozowego, ważne jest utrzymanie odpowiedniego stężenia kationów magnezu (np. 10 mM) w żelu i buforze do pracy żelu, aby zachować nanostruktury DNA podczas elektroforezy. W przypadku struktury prostokątnej 24H×28T przetestowaliśmy wyżarzanie w różnych stężeniach Mg++ i stwi.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy deklarują konkurencyjne interesy finansowe.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca została sfinansowana przez Office of Naval Research Young Investigator Program Award N000141110914, Office of Naval Research Grant N000141010827, NSF CAREER Award CCF1054898, NIH Director's New Innovator Award 1DP2OD007292 oraz Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering Faculty Startup Fund (do P.Y.) oraz Tsinghua-Peking Center for Life Sciences Startup Fund (do B. W.).

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Nici DNA Zintegrowana technologiaSekcja 3.1
SYBR Bezpieczne barwienie żelem DNAInvitrogenS33102Sekcja 3.4.2
Kolumny wirujące do ekstrakcji żelu DNA Freeze'NSqueeze BIO-RAD731-6166Sekcja 3.6
Ostre sondy dźwigniowe azotkowe firmy BrukerSondy AFM BrukerSNL10Sekcja 4.3
Bezpieczny obrazownik 2.0 Nadajnik światła niebieskiegoInvitrogenG6600Sekcja 3.6
Wirówka 5430REppendorf5428 000.414Sekcja 3.6
Transmisyjny mikroskop elektronowy JeolJem 1400Sekcja 7.4
Wielomodowy 8VeecoSekcja 4
Skaner laserowy Typhoon FLA 9000GE Heathcare Life Sciences28-9558-08Sekcja 3.5
Ultraczysta woda destylowanaInvitrogen10977-023Sekcja 3.7.1
Zapasy dysku mikiSPI12001-26-2Sekcja 4.1
Stalowa tarcza montażowaTed Pella, Inc.16218Sekcja 4.1
siatka miedziana powlekana węglem do TEMMikroskopia elektronowa SciencesFCF400-CuPęseta sekcja 7.2
Dumont0203-N5AC-POsekcja 7.31
system wyładowań jarzeniowychQuorum TechnologiesK100XSekcja 7.2
Silnik DNA Tetrad 2 Peltier Thermal CyclerBIO-RADPTC– 0240GSekcja 3.3
Owl Easycast B2 Mini żelowe systemy elektroforezyThermoScientificB2Sekcja 3.4.3
Seekam LE Agaroza 500GLonza50004Sekcja 3.4.1
GeneRuler 1kb Plus Drabinka DNA, gotowa do użycia 75-20000bpThermoScientificSM1333Sekcja 3.4.4
Spektrofotometr UV-vis Nanodrop 2000cThermoScientificSekcja 3.7
Filtr 0,2 umCorning Inc.431219Sekcja 7.1.2
DNA

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J. Theor. Biol. 99 (2), 237-247 (1982).
  2. Fu, T. J., Seeman, N. C. DNA double-crossover molecules. Biochemistry. 32 (13), 3211-3220 (1993).
  3. Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L. A., Seeman, N. C.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Single stranded DNA TilesDNA Nanostructure Self assemblyMolecular Canvas AssemblyNative Agarose Gel ElectrophoresisAtomic Force Microscopy ImagingDNA Strand PurificationThermal Cycler AnnealingEdge Protector DesignDomain Substitution MethodDNA Concentration Measurement

Related Articles