Name: Projetando um robô Bio-responsivo de DNA Origami (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 32 s
Description: Aprenda a projetar um robô bio-responsivo de DNA origami usando o software CAD nano. Este método padroniza a criação de dispositivos nanorrobóticos com capacidade de resposta a sinais biológicos para aplicações em biotecnologia.

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Os autores gostariam de agradecer a S. Douglas para discussões extremamente valiosos e conselhos, e todos os membros do laboratório de Bachelet para discussões úteis e de trabalho. Este trabalho é apoiado por subsídios da Faculdade de Ciências da Vida e do Instituto de Nanotecnologia e Materiais Avançados da Universidade 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>

Os autores não têm nada a revelar.

Origami de DNA nos permite fabricar objetos bem definidos com características arbitrárias em nanoescala. Um passo importante seria a integração da função para estes projetos. Ainda que muitas aplicações e desafios poderiam ser abordados com essa tecnologia, há um interesse particular na fabricação de robôs terapêuticos e científicos de DNA origami, uma vez que estes representam um meio natural de DNA. ADN já interage com a maquinaria molecular em células como um meio de armazenamento de informação genética. Curiosamente...

<table><tbody><tr><td>Autodesk Maya 2012</td><td>Autodesk</td><td></td><td>Uma conta de estudante/acadêmico precisa ser criada primeiro (consulte as instruções específicas da plataforma em <a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td></tr><tr><td>caDNAno 2.0 (software)</td><td>(Código aberto)</td><td></td><td>Software para o projeto de estruturas de origami de DNA <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http:// cadnano.org< / a></td></tr><tr><td>Cando (página da web)</td> <td>(código aberto)</td><td></td> <td>Página da Web executando um simulador de formas de origami de DNA <a href = "http://cando-dna-origami.org" target = "_blank" >http://cando-dna-origami.org< / a></td></tr></tbody></table>

projetando um robô bio-responsivo de dna origami

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Ácidos nucleicos são surpreendentemente versátil. Em adição ao seu papel natural como meio de armazenamento de informação biológica 1, eles podem ser utilizados em computação paralela 2,3, reconhecer e ligar alvos celulares ou moleculares de 4,5, 6,7 catalisar reacções químicas, e gerar respostas calculados numa biológica Sistema de 8,9. Importante, os ácidos nucleicos podem ser programados para se auto-organizar-se em estruturas de 2D e 3D 10-12, permitindo a integração de todas estas características notáveis ​​em um único robô que ligam a detecção de sinais biológicos para uma resposta programada a fim de exercer um efeito desejado. Criando formas de ácidos nucléicos foi primeiramente proposto por Seeman 13, e várias variações sobre o tema já foram realizados usando várias técnicas 11,12,14,15. No entanto, o mais importante é, talvez, o proposto por Rothemund, denominado scaffolded DNA origami16. Nesta técnica, a dobragem de um comprimento (&gt; 7000 bases) em cadeia simples do ADN &quot;andaime&quot; é dirigida para uma forma desejada por centenas de cadeias complementares curtas chamadas &quot;grampos. Dobramento é efectuado por rampa de temperatura de recozimento. Esta técnica foi demonstrado com sucesso na criação de um conjunto diversificado de formas 2D com precisão notável e robustez. DNA origami foi mais tarde estendido para 3D, bem 17,18. O presente trabalho terá como foco o software caDNAno 2.0 19 desenvolvido por Douglas e colegas. caDNAno é uma ferramenta CAD robusta e fácil de usar que permite o desenho de 2D e 3D origami de DNA formas com características versáteis. O processo de projeto depende de um esquema de abstração sistemática e precisa de estruturas de DNA, tornando-se relativamente simples e eficiente. Neste artigo, demonstramos o projeto de um origami de DNA nanorobot que foi recentemente descrito 20. Este robot é &#39;robótico&#39; no sentido em que ele se vincula detecção da actuação, a fim de executar uma tarefa. Nós explicar como vários esquemas de detecção pode ser integrado na estrutura, e como esta pode ser retransmitido para um efeito desejado. Finalmente usamos Cando 21 para simular as propriedades mecânicas da forma concebida. O conceito de discutirmos pode ser adaptada para várias tarefas e configurações.

<html> Figuras 1-25 são screenshots da interface caDNAno 2.0 mostra o processo de design passo-a-passo. A secção transversal da forma delineada pela primeira vez (Figura 3), seguido por adição automática de andaime fragmentos dos filamentos e na conclusão do caminho de andaime inteira (Figura 7). Fios de grampos são adicionados automaticamente (Figura 12), dividido de acordo com os parâmetros definidos pelo usuário (Figura 14), e editado...

Origami de DNA é um método poderoso para a fabricação de objetos em nanoescala precisos, programando a auto-montagem de moléculas de DNA. Aqui, nós descrevemos como DNA origami pode ser utilizado para criar um robô robótica capaz de sentir sinais biológicos e responder pela forma de deslocamento, posteriormente retransmitida para o efeito desejado.

Projetando um robô Bio-responsivo de DNA Origami

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

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 in

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioengenharia

O origami de DNA é um método poderoso para fabricar objetos precisos em nanoescala, programando a auto-montagem de moléculas de DNA. Aqui descrevemos um protocolo para o dobramento de um robô bio-responsivo a partir de origami de DNA, sua purificação e coloração negativa para imagens microscópicas eletrônicas de transmissão (TEM).

Dobragem e Caracterização de um robô Bio-responsivo a partir de ADN de Origami

DNA tiling é uma abordagem eficaz para fazer nanoestruturas programáveis. Descrevemos os protocolos para construir formas bidimensionais complexas pela automontagem de blocos de DNA de fita simples.

A auto-montagem de formas bidimensionais complexos de ADN de cadeia simples Azulejos

Processos de limpeza reprodutíveis para substratos usados na pesquisa de origami de DNA são descritos, incluindo limpeza RCA de bancada e derivatização de óxido de silício. Protocolos para preparação de superfície, deposição de origami de DNA, parâmetros de secagem e configurações experimentais simples são ilustrados.

Preparação de Mica e silício substratos para análise do DNA Origami e Experimentação

Aqui, um fluxo de trabalho automatizado para realizar a montagem de "dispositivo" modular do DNA usando um método de montagem clonagem de DNA modular em robôs de manipulação de líquido é apresentado. O protocolo usa uma ferramenta de software intuitivo para gerar picklists líquido manipulador para combinatória DNA dispositivo biblioteca geração, que demonstramos usando duas plataformas de manipulação de líquidos.

Robótico líquido manipulação montagem de dispositivos modulares DNA automática

Descrevemos o protocolo detalhado para projeto, simulação, molhado-laboratório experimentos e análise para um rack de acordeão de DNA reconfigurável de malhas de 6 por 6.

Design e síntese de um Rack de acordeão de DNA reconfigurável

Aqui, um protocolo relativo à protecção de nanoestruturas de origami de DNA em Mg-esgotada e nuclease mídia avançada usando quitosana natural polissacarídeo catiônico e revestimentos sintéticos polyethyleneimine linear (LPEI) é apresentado.

Gene-terapia inspirou Polycation revestimento para proteção de nanoestruturas de Origami de DNA

Descrevemos o protocolo detalhado para a DNA baseado em origami montagem de nanorods ouro em metamolecules plasmônico quiral com forte chiroptical respostas. O protocolo não está limitado a configurações quirais e pode ser facilmente adaptado para a preparação de várias arquiteturas plasmônico.

Montagem de Nanobastões de Ouro em Metamoléculas Plasmônicas Quirais Usando Modelos de Origami de DNA

Aqui, descrevemos um protocolo para criar nanoestruturas inorgânicas discretas e precisas em substratos usando formas de DNA origami como modelos orientadores. O método é demonstrado através da criação de antenas de ouro plasmônicas em forma de bowtie em um substrato transparente (safira).

DNA origami-mediada substrato Nanopatterning de estruturas inorgânicas para aplicações de sensoriamento

O objetivo deste protocolo é formar conjuntos de motores moleculares em nanoestruturas de DNA origami e observar a motilidade do conjunto usando microscopia de fluorescência de reflexão interna total.

Produção de conjuntos de motor de dynein e de Kinesin em nanostructures do ADN origami para a única observação da molécula

Um andaime bioinspirado é fabricado por uma técnica de fotolitografia macia usando hidrogéis mecanicamente robustos e eletricamente condutores. Os hidrogéis micropadronizados fornecem alinhamento direcional das células cardiomiócitos, resultando em uma direção personalizada de atuação. Microeletrodos flexíveis também são integrados ao andaime para trazer controle elétrico para um tecido cardíaco auto-atuante.

Robô macio bioinspirado com microeletrodos incorporados

Descrevemos a engenharia de uma nova polimerase T7 RNA com DNA para regular reações de transcrição in vitro. Discutimos os passos para a síntese e caracterização proteica, validamos a regulação transcricional de prova de conceito e discutimos suas aplicações em computação molecular, diagnóstico e processamento de informações moleculares.

Dna-Tethered RNA Polymerase para Transcrição In vitro Programável e Computação Molecular

Aprenda a projetar um robô bio-responsivo de DNA origami usando o software CAD nano. Este método padroniza a criação de dispositivos nanorrobóticos com capacidade de resposta a sinais biológicos para aplicações em biotecnologia.

Projetando um robô Bio-responsivo de DNA Origami

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