Projetando um robô Bio-responsivo de DNA Origami

O objetivo geral deste procedimento é projetar um dispositivo robótico a partir de origami de DNA usando o software CAD nano. Isso é feito primeiro instalando o CAD nano e usando-o para delinear a forma geral do robô. O segundo passo é projetar o caminho do fio do andaime.

Em seguida, os grampos são inseridos e editados. A etapa final é definir recursos de controle, incluindo carga útil, locais de fixação e portões. Por fim, uma lista de peças de DNA é gerada para pedido antes da montagem.

A principal vantagem dessa técnica é que ela simplifica e padroniza o design de objetos de origami de DNA para diversas aplicações. Demonstrando o procedimento estará Alad Bei, um pós-doutorado, trabalhando na dinâmica de robôs de origami de DNA em meu laboratório. Para iniciar este procedimento, baixe e instale o CAD nano two e o Autodesk Maya 2012.

De acordo com as instruções em http slash slash cad nano. org, a interface de design do CAD nano no Maya inclui três painéis. O painel superior é a visualização de treliça onde a forma é inicialmente delineada.

Este painel permite ações de nível de dupla hélice e fornece uma vista de corte da forma. O painel inferior é o painel de edição, permitindo ações de nível básico único. O painel direito é um modelo 3D em tempo real gerado pelo Maya da forma.

Clique no ícone de favo de mel ampliando, ligando e desligando a treliça. No painel superior pode ser feito com o mouse. Role para cima e para baixo, respectivamente.

Para começar, desenhe a seção da forma desejada no painel esquerdo. Cada círculo representa um DN duplo, uma hélice para escolher as hélices, que constroem a forma, basta clicar com o botão esquerdo em seu centro. Continue hélice por hélice até que toda a forma esteja delineada.

Alternativamente, a forma pode ser desenhada pressionando o botão esquerdo do mouse e desenhando continuamente o contorno das formas. Observe o painel inferior. Cada hélice é representada por duas fileiras de quadrados.

As linhas são as duas fitas da dupla hélice. Com cada quadrado representando uma base, a barra vertical laranja determina onde as ações de edição ocorrem ao longo de uma hélice. A posição base ao longo da grade aparece como um número acima da barra laranja.

O comprimento padrão da estrutura helix é de 42 bases. O comprimento pode ser estendido clicando em um dos ícones de seta cinza no canto superior direito do painel de edição e escolhendo o comprimento da extensão. Para traçar o caminho real da cordão do andaime em toda a forma, pressione o botão do mouse.

Comece pela primeira hélice e passe continuamente por todas as hélices seguindo a mesma ordem em que foram inicialmente selecionadas. Desenhe um retângulo ao redor de todas as bordas mais à esquerda do caminho do andaime. Estenda o caminho do scaffold arrastando as arestas selecionadas como um grupo para o lado esquerdo da grade.

Depois de repetir esse processo até que o caminho seja estendido corretamente e identificar os ícones da ponte conforme descrito no texto escrito, prepare-se para criar cruzamentos para criar cruzamentos. Clique com o botão esquerdo no ícone de ponte de sua escolha. Um cruzamento de andaime será gerado, o que significa que o andaime cruza neste ponto de hélice a hélice.

Repita esse processo até que o andaime atravesse todas as hélices e crie um loop fechado que abranja toda a forma, não deixando nenhuma região isolada do restante dessa forma. O robô descrito abre em resposta a uma entrada biológica definida para expor sua carga útil. A abertura ocorre de maneira semelhante a uma concha, com duas metades girando em torno de dois eixos.

Os eixos são formados por cruzamentos entre as hélices 29 e 30 e 61 e zero, que são os únicos cruzamentos entre essas metades e são posicionados apenas dentro ou perto da borda esquerda da grade. A borda direita conterá os fios da marcha. Apague o cruzamento existente entre as hélices 29 e 30.

Para apagar o cruzamento, clique no ponto do joelho em qualquer um dos fios. Isso deixa o nick em ambas as vertentes onde o crossover costumava estar. Para costurar os Nicks, pressione shift e clique em cada nick, crie um novo cruzamento entre as hélices 29 e 30 o mais próximo possível da borda esquerda da grade.

Em seguida, crie um novo cruzamento entre as hélices 61 e zero o mais próximo possível da borda esquerda da grade, defina quatro locais de carregamento voltados para o lado interno do robô. Os locais de carregamento se ramificarão das Hélices 3, 27, 34 e 58. Para cada site no painel superior, clique na hélice imediatamente adjacente a essas hélices voltadas para o lado interno.

Isso adicionará as hélices à grade no painel inferior. Não clique duas vezes nessas mentiras ainda para adicionar e editar grampos. Primeiro clique em grampeamento automático.

O software adicionará automaticamente sequências de grampos em várias cores. Observe que os grampos foram adicionados à forma 3D no painel direito. As cores dos grampos são consistentes para os painéis inferior e direito.

Além disso, há um indicador no canto inferior esquerdo da interface, que indica que um grampo não pode ser muito longo, muito curto ou circular para editar automaticamente os grampos. Para atender a esses critérios, clique em quebra automática, uma caixa de diálogo será aberta solicitando parâmetros definidos pelo usuário para esta ação, use os parâmetros padrão e clique em OK. O software quebrará os grampos de acordo com esses parâmetros da melhor maneira possível.

Apague todos os cruzamentos de grampos entre as hélices 29 e 30 e 61 e zero para permitir que essas hélices se separem e permitam que o robô abra. Apagar cruzamentos de grampos exigirá alguma edição manual para corrigir grampos que se tornam muito curtos ou irracionais como resultado dessa ação. Para fazer isso corretamente, siga as instruções na costura do protocolo de texto, os dois grampos no Helix 29 pressionando shift e clicando no nick entre eles.

Da mesma forma, parece que os três grampos no Strand 30 para um único grampo podem ser estendidos ou encurtados manualmente clicando em uma borda e arrastando-a conforme desejado. Tome cuidado para não circularizar nenhum grampo. Repita esse processo para HELOCs zero e 61 e edite manualmente todos os grampos em cada hélice.

Localize grampos desenhados por uma linha grossa, o que significa que eles exigem mais edição. Examine cada um deles e corrija conforme necessário. Por exemplo, grampos muito curtos podem ser apagados ou estendidos, se possível.

Em segundo lugar, clique nas hélices do local de carregamento no painel superior e estenda os fragmentos de fio de andaime resultantes no painel inferior clicando em uma aresta e arrastando-a conforme desejado. Adicione manualmente grampos a esses fragmentos de andaime colocando a barra vertical laranja na posição desejada ao longo do andaime, passando por cima das hélices de guia no painel esquerdo, segurando shift e clicando. Isso adicionará um precursor de grampo em cada hélice.

Estenda os precursores de grampos para o comprimento total também Ao clicar e arrastar, localize os ícones de ponte vermelhos que denotam pontos de cruzamento altos entre o fio guia e o chassi. Escolha o local mais conveniente para introduzir um cruzamento e clique no ícone da ponte. Uma localização conveniente requer edição mínima de grampos existentes no chassi.

Na hélice guia, exclua a peça grampeadora que não faz parte do local de carregamento e encurte a peça participante para o comprimento desejado. O comprimento desejado deve fornecer especificidade para carregar diferentes tipos de carga e resistência de ligação. Normalmente, uma cauda de 18 mer deve ser suficiente.

Certifique-se de que o grampo permaneça desenhado por uma linha fina. Caso contrário, edite até que esteja no chassi. Edite os grampos alterados conforme necessário.

Apague a guia, deixando apenas a extensão do grampo. Repita essas etapas para todos os locais de carregamento para projetar fios de marcha. Primeiro, localize as posições adequadas para os fios da marcha.

Estes serão grampos nas hélices 29, 30, 61 e zero. Por exemplo, examine a região da marcha de 29 a 30. Existem fios de grampos convenientes, flanqueando as hélices 29 e 30 no lado direito da grade, que podem ser usadas como fios de porta.

Observe que eles estão voltados para direções opostas. Clique na borda de um dos fios de marcha em potencial para estendê-lo para fora da forma. Se a aresta estiver sobre um cruzamento de andaime, sua seleção pode ser simplificada certificando-se de que apenas o grampo seja selecionável.

Ao clicar em scaf na barra de ferramentas selecionável no canto superior direito da interface, estenda os dois grampos para formar os fios do portão. Edite os grampos. Se esta extensão exigir, repita isso para os fios de porta das hélices zero e 61.

Para escolher a sequência de scaffold, clique na ferramenta de busca. Coloque o cursor em qualquer lugar do fio do andaime e clique em uma caixa de diálogo será aberta solicitando a escolha da fonte de DNA do andaime Na caixa de diálogo, clique em M 13 MP 18. Observe que a sequência de DNA escolhida foi adicionada ao andaime e às fitas de grampo no painel inferior.

Por fim, exporte a sequência de grampos como uma planilha clicando em exportar na barra de ferramentas superior e escolhendo um nome de arquivo de destino para a lista de grampos. Clique em salvar. Este vídeo demonstrou um processo passo a passo para o projeto de um nano robô de origami de DNA.

A seção transversal da forma foi delineada pela primeira vez aqui. O esboço foi seguido pela edição automática dos fragmentos do fio do andaime e pela conclusão de todo o caminho do andaime. Aqui é mostrada uma visão geral dos painéis inferior e direito, demonstrando como o modelo 3D muda em tempo real junto com as ações de edição.

Os fios de grampo foram adicionados automaticamente, como pode ser visto no projeto após a ação de grampo automático. Nesta imagem, as cores de grampo no painel inferior e no painel direito são consistentes. Os fios grampos foram então quebrados de acordo com os parâmetros definidos pelo usuário, conforme mostrado aqui no projeto após a ação do freio automático.

Em seguida, os fios de grampos foram editados manualmente para adaptar os grampos à função desejada do dispositivo. Toda a lacuna entre as Hélices 29 e 30 mostra que nenhum cruzamento liga as duas neste projeto. Após a edição manual, aqui está uma visão dos grampos do local de carregamento, conforme visto no painel inferior.

Após a remoção dos HELOCs guia, que não são mais necessários, esta imagem mostra a extensão de dois grampos, que serão usados como fitas GA dos HELOCs 29 e 30. Observe que os dois fios estão voltados para direções opostas, o que é obrigatório para a formação do duplex da marcha. Esta é a imagem TEM do modelo final projetado neste procedimento.

A amostra é corada com formato de mictório e fotografada em um microscópio eletrônico de transmissão GL exatamente como descrito em relatórios anteriores dos autores. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como projetar um robô de origami de DNA para qualquer aplicação de sua escolha.