Projetando um robô Bio-responsivo de DNA Origami

O objetivo geral deste procedimento é projetar um dispositivo robótico a partir de origami de DNA utilizando o software CAD nano. Isso é realizado primeiramente instalando o CAD nano e utilizando-o para delinear a forma geral do robô. O segundo passo é projetar o trajeto da fita molde.

Em seguida, os grampos são inseridos e editados. O passo final consiste em definir as características de controle, incluindo carga útil, sítios de ligação e portas. Em última instância, uma lista de partes de DNA é gerada para encomenda antes da montagem.

A principal vantagem dessa técnica é que ela simplifica e padroniza o projeto de objetos de origami de DNA para diversas aplicações. Demonstrando o procedimento estará Alad Bei, um pós-doutorando, trabalhando na dinâmica de robôs de origami de DNA no meu laboratório. Para iniciar este procedimento, baixe e instale o CAD nano dois e o Autodesk Maya 2012.

De acordo com as instruções em http://cadnano.org, a interface de design do CAD nano dentro do Maya inclui três painéis. O painel superior é a visualização da rede, onde a forma é inicialmente delineada.

Este painel permite ações no nível da dupla hélice e fornece uma vista em seção da forma. O painel inferior é o painel de edição, que permite ações no nível de base única. O painel direito é um modelo 3D em tempo real gerado pelo Maya da forma.

Clique no ícone de favo para aumentar e diminuir o zoom na rede. No painel superior, isso pode ser feito com o mouse. Role para cima e para baixo, respectivamente.

Para começar, desenhe a seção do formato desejado no painel esquerdo. Cada círculo representa um DN duplo, uma hélice; para selecionar as hélices que formarão a figura, basta clicar com o botão esquerdo no centro delas. Continue hélice por hélice até que toda a figura esteja delineada.

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

As linhas representam 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 da base ao longo da grade aparece como um número acima da barra laranja.

O comprimento padrão da estrutura da hélice 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 fita molde ao longo da forma, pressione o botão do mouse.

Inicie a partir da primeira hélice e prossiga 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 trajeto do molde. Estenda o trajeto do molde arrastando as bordas selecionadas em grupo para o lado esquerdo da grade.

Após repetir este processo até que o caminho seja adequadamente estendido e identificar os ícones de ponte conforme descrito no texto, prepare-se para criar cruzamentos. Clique com o botão esquerdo no ícone de ponte desejado. Um cruzamento do arcabouço será gerado, o que significa que o arcabouço atravessa neste ponto de hélice para hélice.

Repita este processo até que o arcabouço percorra todas as hélices e crie um circuito fechado que abranja toda a forma, deixando sem regiões isoladas do restante dessa forma. O robô descrito abre em resposta a uma entrada biológica definida, expondo sua carga. A abertura ocorre de maneira semelhante a uma concha, com duas metades girando em torno de dois eixos.

Os eixos são formados por entrecruzamentos entre as hélices 29 e 30 e entre as hélices 61 e zero, que são os únicos entrecruzamentos entre essas metades e estão posicionados apenas na borda esquerda da grade ou próximo a ela. A borda direita conterá as fitas de marcha. Apague o entrecruzamento existente entre as hélices 29 e 30.

Para apagar a junção cruzada, clique no ponto de inflexão em qualquer uma das fitas. Isso deixa uma quebra em ambas as fitas no local onde antes estava a junção cruzada. Para selar as quebras, pressione shift e clique em cada quebra, criando uma nova junção cruzada entre as hélices 29 e 30 o mais próximo possível da borda esquerda da grade.

Em seguida, crie uma nova troca entre as hélices 61 e zero o mais próximo possível da borda esquerda da grade e defina quatro sítios de carregamento voltados para o lado interno do robô. Os sítios de carregamento ramificar-se-ão a partir das hélices 3, 27, 34 e 58. Para cada sítio no painel superior, clique na hélice imediatamente adjacente a essas hélices que esteja voltada para o lado interno.

Isso adicionará as hélices à grade no painel inferior. Ainda não clique duas vezes nessas lyes para adicionar e editar grampos. Primeiro, clique em grampo 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 nos painéis inferior e direito.

Além disso, há um indicador no canto inferior esquerdo da interface, que indica que as clipes não podem ser muito longas, muito curtas ou circulares para serem editadas automaticamente. Para atender a esses critérios, clique em quebrar automaticamente; uma caixa de diálogo será aberta solicitando parâmetros definidos pelo usuário para esta ação. Utilize os parâmetros padrão e clique em OK. O software dividirá as clipes de acordo com esses parâmetros, na medida do possível.

Apague todas as travessias de staples entre as hélices 29 e 30 e entre as hélices 61 e zero para permitir que essas hélices se separem e que o robô se abra. A eliminação das travessias de staples exigirá alguma edição manual para corrigir os staples que se tornarem muito curtos ou irracionais em decorrência dessa ação. Para fazer isso corretamente, siga as instruções no protocolo textual da emenda: selecione os dois staples na Hélice 29 pressionando shift e clicando no nick entre eles.

Da mesma forma, os três clipes no Strand 30 parecem se ligar a um único clipe; os clipes podem ser manualmente estendidos ou encurtados clicando em uma extremidade e arrastando conforme desejado. Tenha cuidado para não circularizar nenhum clipe. Repita este processo para os HELOCs zero e 61 e edite manualmente todos os clipes em cada hélice.

Localize as grampos desenhados com uma linha grossa, o que significa que precisam de edição adicional. Examine cada um e corrija conforme necessário. Por exemplo, grampos que são 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 resultantes da fita de arcabouço no painel inferior clicando em uma borda e arrastando-a conforme desejado. Adicione manualmente as grampos a esses fragmentos de arcabouço posicionando a barra vertical laranja na posição desejada ao longo do arcabouço, passando pelas hélices guia no painel esquerdo mantendo pressionada a tecla shift e clicando. Isso adicionará um precursor de grampo em cada hélice.

Estenda também os precursores das estacas até o comprimento total. Ao clicar e arrastar, localize os ícones de ponte vermelhos que indicam pontos de cruzamento entre a fita guia e o chassis. Escolha o local mais conveniente para introduzir um cruzamento e clique no ícone de ponte. Um local conveniente exige edição mínima das estacas existentes no chassis.

No helicoidal guia, exclua a parte da escora que não faz parte do sítio de carregamento e encurte a parte participante ao comprimento desejado. O comprimento desejado deve proporcionar especificidade para o carregamento de diferentes tipos de carga e força de ligação. Normalmente, uma cauda de 18 mer deve ser adequada.

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

Apague o guia, deixando apenas a extensão do grampeador. Repita esses passos para todos os sítios de carregamento para projetar as fitas de marcha. Primeiro, localize as posições adequadas para as fitas de marcha.

Esses serão grampos nas hélices 29, 30, 61 e zero. Por exemplo, examine a região de caminho de 29 a 30. Existem fitas de grampos convenientes, adjacentes às hélices 29 e 30 no lado direito da grade, que podem ser usadas como fitas-gate.

Observe que eles estão em direções opostas. Clique na borda de uma das possíveis fitas de caminhada para estendê-la para fora da forma. Se a borda estiver sobre uma cruzamento do arcabouço, a seleção pode ser simplificada garantindo que apenas as fitas de reforço possam ser selecionadas.

Ao clicar fora de scaf na barra de ferramentas selecionável no canto superior direito da interface, estenda ambas as staples para formar as fitas da porta. Edite as staples. Se essa extensão exigir, repita isso para as fitas da porta das hélices zero e 61.

Para escolher a sequência do molde, clique na ferramenta de busca. Posicione o cursor em qualquer ponto da fita molde e clique; uma caixa de diálogo será aberta solicitando a escolha da fonte de DNA do molde. Na caixa de diálogo, clique em M13 MP18. Observe que a sequência de DNA escolhida foi adicionada às fitas molde e auxiliares no painel inferior.

Por fim, exporte a sequência de staples como uma planilha clicando em exportar na barra de ferramentas superior e escolhendo um nome de arquivo de destino para a lista de staples. 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 primeiramente delineada aqui. O contorno foi seguido pela edição automática de fragmentos da fita estrutural e pela conclusão de todo o percurso da fita estrutural. É mostrada aqui uma visão geral dos painéis inferior e direito, demonstrando como o modelo 3D muda em tempo real juntamente com as ações de edição.

As fitas de grampeamento foram adicionadas automaticamente, conforme pode ser visto na planta após a ação de grampeamento automático. Nesta imagem, as cores das fitas de grampeamento no painel inferior e no painel direito são consistentes. Em seguida, as fitas de grampeamento foram quebradas de acordo com parâmetros definidos pelo usuário, conforme mostrado aqui na planta após a ação de quebra automática.

Em seguida, as fitas de grampeamento foram editadas manualmente para adaptar os grampos à função desejada do dispositivo. A lacuna inteira entre as Hélices 29 e 30 mostra que não há cruzamentos ligando as duas nesta planta. Após a edição manual, mostrada aqui, há uma visão das fitas do sítio de carregamento conforme visto no painel inferior.

Após remover os HELOCs guia, que não são mais necessários, esta imagem mostra a extensão de dois clipes, que serão usados como filamentos GA provenientes dos HELOCs 29 e 30. Observe que os dois filamentos estão em direções opostas, o que é obrigatório para a formação do duplex de marcha. Esta é a imagem de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) do modelo final projetado neste procedimento.

A amostra é corada com formato urinário e visualizada em um microscópio eletrônico de transmissão GL exatamente como descrito em relatos anteriores pelos autores. Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como projetar um robô a partir da origami de DNA para qualquer aplicação de sua escolha.