Проектирование Bio-отзывчивый робота из ДНК-оригами

Общая цель данной процедуры заключается в проектировании робототехнического устройства из ДНК-оригами с помощью программного обеспечения CAD nano. Для этого сначала устанавливается CAD nano, с помощью которой определяется общая форма робота. Вторым этапом является проектирование пути нити-каркаса.

Затем вставляются и редактируются стейплы. Заключительным этапом является настройка контрольных элементов, включая полезную нагрузку, сайты прикрепления и гейты. В итоге формируется список ДНК-фрагментов для заказа перед началом сборки.

Основным преимуществом данного метода является упрощение и стандартизация разработки объектов из ДНК-оригами для различных областей применения. Процедуру продемонстрирует Алад Бей, постдок, занимающийся изучением динамики роботов из ДНК-оригами в моей лаборатории. Для начала работы скачайте и установите CAD nano two и Autodesk Maya 2012.

Согласно инструкциям на сайте http://cadnano.org, интерфейс проектирования CADnano в Maya состоит из трех панелей. Верхняя панель представляет собой вид решетки, где изначально намечается форма.

Эта панель позволяет выполнять действия на уровне двойной спирали и предоставляет сечение формы. Нижняя панель является панелью редактирования, позволяющей выполнять действия на уровне одного основания. Правая панель представляет собой созданную в Maya 3D-модель формы в режиме реального времени.

Нажмите на значок в виде сот, чтобы увеличить или уменьшить масштаб решетки. В верхней панели это можно сделать с помощью мыши, прокручивая колесико вверх или вниз соответственно.

Для начала нарисуйте секцию желаемой формы на левой панели. Каждый круг представляет собой двойную ДНК; чтобы выбрать спирали, из которых будет состоять форма, просто щелкните левой кнопкой мыши по их центру. Продолжайте добавлять спирали одну за другой, пока весь контур фигуры не будет очерчен.

В качестве альтернативы форму можно нарисовать, удерживая левую кнопку мыши и непрерывно обводя контур фигуры. Обратите внимание на нижнюю панель. Каждая спираль представлена двумя рядами квадратов.

Строки представляют собой две цепи двойной спирали. Каждый квадрат соответствует основанию, а оранжевая вертикальная полоса определяет место проведения редактирования вдоль спирали. Позиция основания на сетке указана числом над оранжевой полосой.

Длина каркаса спирали по умолчанию составляет 42 основания. Ее можно увеличить, нажав на одну из серых иконок со стрелкой в правом верхнем углу панели редактирования и выбрав необходимую длину расширения. Чтобы отобразить фактический путь нити каркаса по всей форме, нажмите кнопку мыши.

Начните с первой спирали и последовательно пройдите по всем спиралям в том же порядке, в котором они были изначально выбраны. Обведите прямоугольником все крайние левые ребра пути каркаса. Переместите путь каркаса, перетащив выбранные ребра группой в левую часть сетки.

Повторяйте этот процесс до тех пор, пока путь не будет надлежащим образом продлен, и после идентификации значков мостиков, как описано в тексте, подготовьтесь к созданию перекрестов. Щелкните левой кнопкой мыши по выбранному значку мостика. Будет создан перекрест каркаса, что означает, что в этой точке каркас переходит от одной спирали к другой.

Повторяйте этот процесс до тех пор, пока каркас не пройдет через все спирали и не образует замкнутый контур, охватывающий всю структуру, чтобы не осталось областей, изолированных от остальной части фигуры. Описанный робот открывается в ответ на определенный биологический сигнал для высвобождения своего содержимого. Открытие происходит по принципу раковины, при котором две половины вращаются вокруг двух осей.

Оси формируются за счет перекрестов между спиралями 29 и 30, а также 61 и 0; это единственные перекресты между данными половинами, которые расположены непосредственно в левом краю сетки или близко к нему. В правом краю будут находиться нити затвора. Удалите существующий перекрест между спиралями 29 и 30.

Чтобы удалить перекрест, нажмите на точку перегиба в любой из цепей. После этого в обеих цепях в месте бывшего перекреста останутся разрывы. Чтобы соединить разрывы, удерживайте клавишу shift и нажмите на каждый разрыв, а затем создайте новый перекрест между спиралями 29 и 30 как можно ближе к левому краю сетки.

Затем создайте новый перекрест между спиралями 61 и zero как можно ближе к левому краю сетки и определите четыре сайта загрузки, обращенных к внутренней стороне робота. Сайты загрузки будут отходить от спиралей 3 27, 34 и 58. Для каждого сайта на верхней панели щелкните по спирали, непосредственно прилегающей к этим спиралям и обращенной внутрь.

Это добавит спирали на сетку в нижней панели. Пока не нажимайте на эти линии повторно для добавления и редактирования степлеров. Сначала нажмите «авто-степлирование» (auto staple).

Программное обеспечение автоматически добавит последовательности степлеров различных цветов. Обратите внимание, что степлеры были добавлены к 3D-модели в правой панели. Цвета степлеров в нижней и правой панелях совпадают.

Кроме того, в левом нижнем углу интерфейса расположен индикатор, который показывает, что скобы не могут быть слишком длинными, слишком короткими или замкнутыми для автоматического редактирования. Чтобы соответствовать этим критериям, нажмите «auto break»; откроется диалоговое окно с запросом пользовательских параметров для этого действия — используйте параметры по умолчанию и нажмите «okay». Программное обеспечение максимально эффективно разобьет скобы в соответствии с этими параметрами.

Удалите все перекрестные связи скоб между спиралями 29 и 30, а также 61 и 0, чтобы эти спирали могли разделиться и робот мог раскрыться. Удаление перекрестных связей скоб потребует ручного редактирования для исправления скоб, которые в результате этого действия станут слишком короткими или иррациональными. Чтобы сделать это правильно, следуйте инструкциям в текстовом протоколе: выделите две скобы на спирали 29, удерживая клавишу shift и нажимая на разрыв между ними.

Аналогично, три степлера на цепи (Strand) 30 замените на один степлер; степлеры можно расширить или сократить вручную, нажав на край и перетащив его в нужное положение. Следите за тем, чтобы степлеры не образовали кольцо. Повторите этот процесс для HELOC 0 и 61 и вручную отредактируйте все степлеры в каждой спирали.

Найдите скобы, отмеченные толстой линией, что указывает на необходимость их дальнейшего редактирования. Осмотрите каждую из них и внесите необходимые исправления. Например, слишком короткие скобы можно удалить или, если это возможно, удлинить.

Во-вторых, выберите спирали сайта загрузки в верхней панели и растяните полученные фрагменты нити каркаса в нижней панели, нажав на край и перетащив его в нужное положение. Вручную добавьте скрепы к этим фрагментам каркаса, поместив оранжевую вертикальную полосу в желаемую позицию вдоль каркаса, проходя по направляющим спиралям на левой панели, удерживая клавишу shift и кликая мышью. Это добавит предшественник скрепы у каждой спирали.

Также доведите предшественники скрепок (staples) до полной длины. С помощью перетаскивания найдите иконки красных мостиков, обозначающие точки перекреста между направляющей цепью и каркасом. Выберите наиболее подходящее место для введения перекреста и нажмите на иконку мостика. Подходящим считается место, требующее минимального редактирования существующих скрепок в каркасе.

В направляющей спирали удалите участок скрепляющего фрагмента, который не входит в состав сайта загрузки, и укоротите участвующий фрагмент до желаемой длины. Желаемая длина должна обеспечивать как специфичность загрузки различных типов груза, так и силу связывания. Как правило, хвоста из 18 меров должно быть достаточно.

Убедитесь, что скоба обозначена тонкой линией. В противном случае вносите правки до тех пор, пока она не окажется в шасси. При необходимости отредактируйте измененные скобы.

Сотрите гид, оставив только удлинение степлера. Повторите эти шаги для всех сайтов загрузки, чтобы сконструировать нити гейтов. Сначала определите подходящие положения для нитей гейтов.

Это будут степлерные нити (staples) для спиралей 29, 30, 61 и нулевой спирали. Например, рассмотрим область затвора от 29 к 30. С правой стороны сетки имеются удобные степлерные нити, фланкирующие спирали 29 и 30, которые могут быть использованы в качестве затворных нитей.

Обратите внимание, что они направлены в противоположные стороны. Нажмите на край одной из потенциальных нитей гейта, чтобы вытянуть её за пределы фигуры. Если край находится над перекрестным соединением каркаса, выбор можно упростить, ограничив возможность выделения только скобами.

Нажмите на «scaf» на панели выбора в верхней правой части интерфейса, чтобы удлинить обе скобы и сформировать гейтовые цепи. Отредактируйте скобы. Если этого требует данное удлинение, повторите процедуру для гейтовых цепей спиралей 0 и 61.

Чтобы выбрать последовательность каркаса, нажмите инструмент поиска. Установите курсор в любом месте цепи каркаса и щелкните мышью — откроется диалоговое окно с предложением выбрать источник ДНК каркаса. В диалоговом окне выберите M 13 MP 18. Обратите внимание, что выбранная последовательность ДНК была добавлена к цепям каркаса и скрепок на нижней панели.

Наконец, экспортируйте последовательность скрепок в виде электронной таблицы, нажав «export» на верхней панели инструментов и выбрав имя файла назначения для списка скрепок. Нажмите «save». В этом видео был продемонстрирован пошаговый процесс проектирования ДНК-оригами наноробота.

Сначала здесь было намечено поперечное сечение фигуры. После этого последовало автоматическое редактирование фрагментов нитей каркаса и завершение всего пути каркаса. Здесь представлен общий вид нижней и правой панелей, демонстрирующий, как 3D-модель изменяется в режиме реального времени по мере выполнения действий по редактированию.

Сплайс-цепи были добавлены автоматически, что видно в чертеже после выполнения действия auto staple. На этом изображении цвета сплайс-цепей в нижней и правой панелях совпадают. Затем сплайс-цепи были разделены в соответствии с заданными пользователем параметрами, как показано здесь в чертеже после выполнения действия auto brake.

Затем нити-скрепки были отредактированы вручную, чтобы адаптировать их под требуемую функцию устройства. Весь промежуток между спиралями 29 и 30 показывает, что в данном чертеже эти две спирали не соединены перекрестами. После ручного редактирования на нижней панели представлен вид скрепок участка загрузки.

После удаления больше не нужных направляющих HELOCs на данном изображении показано выдвижение двух скоб, которые будут использоваться в качестве нитей GA из HELOCs 29 и 30. Обратите внимание, что две нити направлены в противоположные стороны, что является обязательным условием для формирования дуплекса gait. Это ПЭМ-изображение окончательной модели, разработанной в ходе данной процедуры.

Образец окрашивают уранил-ацетатом и визуализируют с помощью просвечивающего электронного микроскопа GL в точном соответствии с описанием в предыдущих работах авторов. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как сконструировать робота из ДНК-оригами для любого приложения по вашему выбору.