Name: Projektowanie bioresponsywnego robota z DNA Origami (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Poznaj projektowanie bioresponsywnego robota z DNA origami przy użyciu oprogramowania CAD nano. Ta metoda upraszcza tworzenie nanorobotów zdolnych do reagowania na sygnały biologiczne.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować S. Douglasowi za niezwykle cenne dyskusje i rady, a wszystkim członkom laboratorium Bachelet za pomocne dyskusje i pracę. Prace te są wspierane przez granty z Wydziału Nauk Przyrodniczych oraz Instytutu Nanotechnologii i Materiałów Zaawansowanych Uniwersytetu Bar-Ilan.

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Origami DNA umożliwia nam wytwarzanie precyzyjnie zdefiniowanych obiektów o dowolnych cechach w nanoskali. Kolejnym ważnym krokiem będzie integracja funkcji z tymi projektami. Chociaż technologia ta może rozwiązać wiele problemów i wyzwań, istnieje szczególne zainteresowanie wytwarzaniem robotów terapeutycznych i naukowych z origami DNA, ponieważ reprezentują one naturalne środowisko DNA. DNA już teraz łączy się z maszynerią molekularną w komórkach jako nośnik informacji genetycznej. Co ciekawe, pofałdowane DNA w nanorob...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>Najpierw należy utworzyć konto studenckie/akademickie (zobacz instrukcje dotyczące platformy w <a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (oprogramowanie)</td><td>(Open source)</td><td></td><td>Oprogramowanie do projektowania struktur origami DNA <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http:// cadnano.org</a></td></tr><tr><td>Cando (strona internetowa)</td><td>(Open source)</td><td></td><td>Strona internetowa z symulatorem kształtów origami DNA <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td></tr></tbody></table>

projektowanie bioresponsywnego robota z dna origami

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Kwasy nukleinowe są zadziwiająco wszechstronne. Oprócz ich naturalnej roli jako nośnika informacji biologicznej1 mogą być wykorzystywane w obliczeniach równoległych2,3 , rozpoznawanie i wiązanie celów molekularnych lub komórkowych4,5 , katalizowanie reakcji chemicznych6,7 i generowanie obliczonych odpowiedzi w systemie biologicznym8,9. Co ważne, kwasy nukleinowe można zaprogramować tak, aby samoorganizowały się w struktury 2D i3D 10-12, umożliwiając integrację wszystkich tych niezwykłych funkcji w jednym robocie, łącząc wykrywanie sygnałów biologicznych z zaprogramowaną reakcją w celu wywarcia pożądanego efektu.
Tworzenie kształtów z kwasów nukleinowych zostało po raz pierwszy zaproponowane przez Seeman13, a od tego czasu zrealizowano kilka wariacji na ten temat przy użyciu różnych technik11,12,14,15 . Jednak najbardziej znacząca jest być może ta zaproponowana przez Rothemunda, określana jako origami16 z rusztowaniem DNA. W tej technice fałdowanie długiego (>7000 zasad) jednoniciowego "rusztowania" DNA jest kierowane do pożądanego kształtu przez setki krótkich komplementarnych nici zwanych "zszywkami". Składanie odbywa się za pomocą rampy do wyżarzania temperaturowego. Technika ta została z powodzeniem zademonstrowana przy tworzeniu różnorodnej gamy kształtów 2D z niezwykłą precyzją i solidnością. Origami DNA zostało później rozszerzone również na 3D17,18 .
 
Obecny artykuł skupi się na oprogramowaniu caDNAno 2.019 opracowanym przez Douglasa i kolegów. caDNAno to solidne, przyjazne dla użytkownika narzędzie CAD umożliwiające projektowanie kształtów origami DNA 2D i 3D o wszechstronnych funkcjach. Proces projektowania opiera się na systematycznym i dokładnym schemacie abstrakcji struktur DNA, dzięki czemu jest stosunkowo prosty i wydajny.
W tym artykule prezentujemy projekt nanorobota origami DNA, który został niedawno opisany20. Ten robot jest "robotyczny" w tym sensie, że łączy wyczuwanie z uruchamianiem w celu wykonania zadania. Wyjaśniamy, w jaki sposób można zintegrować różne schematy czujników ze strukturą i jak można to przekazać, aby uzyskać pożądany efekt. Na koniec używamy Cando21 do symulacji właściwości mechanicznych zaprojektowanego kształtu. Omawianą przez nas koncepcję można dostosować do wielu zadań i ustawień.

Ryciny 1-25 przedstawiają zrzuty ekranu interfejsu caDNAno 2.0, ukazujące krok po kroku proces projektowania. W pierwszej kolejności nakreślono przekrój poprzeczny kształtu (Rycina 3), następnie automatycznie dodano fragmenty nici rusztowania i ukończono całą ścieżkę rusztowania (Rycina 7). Nici zszywające są dodawane automatycznie (Rycina 12), dzielone zgodnie z parametrami zdefiniowanymi przez użytkownika (Rycina 14) i edytowane ręczni...

Origami DNA to potężna metoda wytwarzania precyzyjnych obiektów w nanoskali poprzez programowanie samoorganizacji cząsteczek DNA. Tutaj opisujemy, w jaki sposób origami DNA można wykorzystać do zaprojektowania robota zdolnego do wyczuwania sygnałów biologicznych i reagowania poprzez zmianę kształtu, a następnie przekazywanego do pożądanego efektu.

Projektowanie bioresponsywnego robota z DNA Origami

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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zaprojektowanie robotycznego urządzenia z origami DNA przy użyciu oprogramowania CAD nano. Jest to realizowane poprzez najpierw zainstalowanie CAD nano i wykorzystanie go do nakreślenia ogólnego kształtu robota. Drugim krokiem jest zaprojektowanie ścieżki nici rusztowania.Następnie wprowadza się i edytuje staplery. Ostatnim krokiem jest zdefiniowanie elementów kontrolnych, w tym ładunku (payload), miejsc przyłączenia oraz bramek. Ostatecznie generowana jest lista części DNA do zamówienia przed rozpoczęciem montażu.Główną zaletą tej techniki jest uproszczenie i standaryzacja projektowania obiektów DNA origami dla różnorodnych zastosowań. Procedurę zaprezentuje Alad Bei, postdoc badający dynamikę robotów DNA origami w moim laboratorium. Aby rozpocząć tę procedurę, należy pobrać i zainstalować programy CAD nano two oraz Autodesk Maya 2012.Zgodnie z instrukcjami na stronie http://cadnano.org, interfejs projektowy CADnano w programie Maya składa się z trzech paneli. Górny panel to widok sieci (lattice view), w którym początkowo określa się kształt.Ten panel umożliwia wykonywanie operacji na poziomie podwójnej helisy i zapewnia widok przekroju kszt

designing-a-bio-responsive-robot-from-dna-origami

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Projektowanie bio-odpowiedzialnego robota z origami DNA

Origami DNA to potężna metoda wytwarzania precyzyjnych obiektów w nanoskali poprzez programowanie samoorganizacji cząsteczek DNA. Tutaj opisujemy protokół składania robota reagującego biologicznie z origami DNA, jego oczyszczania i barwienia ujemnego do obrazowania pod mikroskopem elektronowym transmisyjnym (TEM).

Składanie i charakterystyka bioresponsywnego robota z DNA Origami

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

Samoorganizacja złożonych dwuwymiarowych kształtów z jednoniciowych płytek DNA

Opisano powtarzalne procesy czyszczenia substratów używanych w badaniach origami DNA, w tym czyszczenie RCA na stole i derywatyzację tlenku krzemu. Zilustrowano protokoły przygotowania powierzchni, osadzania origami DNA, parametrów suszenia i prostych konfiguracji eksperymentalnych.

Przygotowanie substratów miki i krzemu do analizy DNA origami i eksperymentów

Tutaj prezentowany jest zautomatyzowany przepływ pracy do wykonywania modułowego montażu "urządzenia" DNA przy użyciu modułowej metody klonowania DNA na robotach obsługujących ciecze. Protokół wykorzystuje intuicyjne narzędzie programowe do generowania list wyboru osób zajmujących się cieczami do kombinatorycznego generowania biblioteki urządzeń DNA, które demonstrujemy za pomocą dwóch platform do obsługi cieczy.

Zautomatyzowany zrobotyzowany montaż modułowych urządzeń DNA do obsługi cieczy

Opisujemy szczegółowy protokół projektowania, symulacji, eksperymentów w laboratorium mokrym i analizy dla rekonfigurowalnego stojaka harmonijkowego DNA o oczkach 6 na 6.

Projekt i synteza rekonfigurowalnego stojaka na akordeon DNA

Tutaj przedstawiono protokół ochrony nanostruktur DNA origami w pożywkach zubożonych w Mg i bogatych w nukleazy przy użyciu naturalnych kationowych powłok polisacharydowych chitozanu i syntetycznych liniowych powłok polietylenoiminy (LPEI).

Powłoka polikationowa inspirowana terapią genową w celu ochrony nanostruktur DNA origami

Opisujemy szczegółowy protokół opartego na origami łączenia złotych nanoprętów w chiralne metamolekuły plazmoniczne z silnymi reakcjami chiroptycznymi. Protokół nie ogranicza się do konfiguracji chiralnych i może być łatwo dostosowany do wytwarzania różnych architektur plazmonicznych.

Składanie złotych nanoprętów w chiralne metamolekuły plazmoniczne za pomocą szablonów DNA Origami

Tutaj opisujemy protokół tworzenia dyskretnych i dokładnych nieorganicznych nanostruktur na podłożach, używając kształtów origami DNA jako szablonów prowadzących. Metoda jest demonstrowana poprzez tworzenie plazmonicznych złotych anten w kształcie muszki na przezroczystym podłożu (szafirze).

Nanowzorce substratów DNA origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych

Celem tego protokołu jest tworzenie zespołów silników molekularnych na nanostrukturach origami DNA i obserwowanie ruchliwości zespołu za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej z całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Produkcja zespołów motorycznych dyneiny i kinezyny na nanostrukturach DNA origami do obserwacji pojedynczych cząsteczek

Rusztowanie inspirowane biologią jest wytwarzane techniką miękkiej fotolitografii przy użyciu mechanicznie wytrzymałych i elektrycznie przewodzących hydrożeli. Hydrożele z mikrowzorem zapewniają kierunkowe wyrównanie komórek kardiomiocytów, co skutkuje dostosowanym kierunkiem uruchamiania. Elastyczne mikroelektrody są również zintegrowane z rusztowaniem, aby zapewnić kontrolę elektryczną dla samoczynnie działającej tkanki serca.

Miękki robot inspirowany biologicznie z wbudowanymi mikroelektrodami

Opisujemy inżynierię nowatorskiej polimerazy T7 RNA na uwięzi DNA do regulacji reakcji transkrypcji in vitro. Omawiamy etapy syntezy i charakterystyki białek, walidujemy regulację transkrypcji typu proof-of-concept i omawiamy jej zastosowania w obliczeniach molekularnych, diagnostyce i przetwarzaniu informacji molekularnych.

Polimeraza RNA na uwięzi DNA do programowalnej transkrypcji in vitro i obliczeń molekularnych

Poznaj projektowanie bioresponsywnego robota z DNA origami przy użyciu oprogramowania CAD nano. Ta metoda upraszcza tworzenie nanorobotów zdolnych do reagowania na sygnały biologiczne.

Projektowanie bioresponsywnego robota z DNA Origami

Przeglądaj więcej filmów