DNA tiling is an effective approach to make programmable nanostructures. We describe the protocols to construct complex two-dimensional shapes by the self-assembly of single-stranded DNA tiles.
Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this article, we describe detailed protocols on how to fabricate sophisticated 2D shapes through the self-assembly of uniquely addressable single-stranded DNA tiles which act as molecular pixels on a molecular canvas. Each single-stranded tile (SST) is a 42-nucleotide DNA strand composed of four concatenated modular domains which bind to four neighbors during self-assembly. The molecular canvas is a rectangle structure self-assembled from SSTs. A prescribed complex 2D shape is formed by selecting the constituent molecular pixels (SSTs) from a 310-pixel molecular canvas and then subjecting the corresponding strands to one-pot annealing. Due to the modular nature of the SST approach we demonstrate the scalability, versatility and robustness of this method. Compared with alternative methods, the SST method enables a wider selection of information polymers and sequences through the use of de novo designed and synthesized short DNA strands.
Forrige nukleinsyre saml-selv arbejde 1-25 har ført til en vellykket opførelse af en bred vifte af komplekse strukturer, herunder DNA 2 – 5,8,10 – 13,17,23 eller RNA 7,22 periodiske 3,4,7, 22 og algoritmisk 5 todimensionale gitre, bånd 10,12 og slanger 4,12,13, 3D krystaller 17, polyedre 11 og finite, 2D former 7,8. En særlig effektiv metode afstivet DNA origami, hvorved en enkelt stillads streng foldes ved mange korte hjælpestoffer korte strenge til dannelse af et kompleks form 9,14 – 16,18 – 21,25.
Vi har for nylig rapporteret en metode til konstruktion af diskrete nanostrukturer med foreskrevne 2D figurer ved hjælp af enkelt-strengede fliser (SST), og demonstrerede strukturer med kompleksitet kan sammenlignes med DNA origami 26. Denne article er en tilpasning af vores tidligere arbejde 26 og beskriver detaljeret protokoller til at arrangere individuelt adresserbare SSTS i sofistikerede finite 2D figurer med præcist foreskrevne dimensioner (bredder og længder) og morfologier. En vigtig fordel ved SST metoden er dens modulopbygning. Hver komponent SST af en struktur fungerer som en modulopbygget enhed i forsamlingen, og forskellige delgrupper i disse SSTS producerer forskellige former. Således har vi etableret en generel platform til at konstruere nanostrukturer med foreskrevne størrelser og former fra korte, syntetiske DNA-strenge.
SSTS indeholder fire domæner, der hver 10 eller 11 nukleotider lang (figur 1A). De SSTS binder således, at deres parallelle helixer skabe en DNA gitter holdes sammen af crossover-bindinger. Hver crossover er phosphatet mellem domænerne 2 og 3. phosphat strækkes kunstigt i diagrammerne for visuel klarhed. De delefiltre er fordelt to spiralformede drejninger (21 baser) fra hinanden (<strong> Figur 1B). De sammensatte rektangler er ved deres dimensioner, der er nævnt i antallet af spiraler og spiralformede sving. For eksempel, at et rektangel er seks helices bred og otte spiralformede vender længe er opført som et 6H × 8T rektangel. SSTS kan udelades, tilføjede, eller på anden måde omarrangeret til at skabe strukturer af vilkårlige former og størrelser (figur 1C). For eksempel kan et rektangulært design rulles til et rør med en ønsket længde og radius (figur 1D).
Alternativt kan den rektangulære SST gitter ses som en molekylær lærred består af SST pixels, hver 3 nm med 7 nm. I denne undersøgelse, bruger vi en molekylær lærred af 310 fuld længde interne SSTS, 24 fuld længde SSTS udgør de venstre og højre grænser, og 28 halvlange SSTS danner de øverste og nederste grænser. Lærredet har 24 dobbeltspiraler forbundet af delefiltre, og hver helix indeholder 28 spiralformede drejninger (294 baser) og er derfor omtalt som24 timer i × 28T rektangulære lærred. Den 24H × 28T lærred har en molekylvægt svarende til den af en DNA origami struktur skabt ud fra en M13-fag stillads.
I strukturen dannelse trin, er det vigtigt at holde en passende koncentration af magnesium kationer (f.eks., 15 mM) i DNA-strengen blanding selvstændige samle DNA nanostrukturer. Ligeledes i agarosegelen karakterisering / oprensningstrin, er det vigtigt at holde en passende magnesium kation koncentration (f.eks., 10 mM) i gelen og gelen kørende buffer til at opretholde de DNA nanostrukturer under elektroforese. For 24H × 28T rektangel struktur, testede vi annealing i forskellige Mg ++ kon…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev finansieret af Kontoret for Naval Research Young Investigator Program Award N000141110914, Office of Naval Research Grant N000141010827, NSF KARRIERE Award CCF1054898, NIH direktørens New Innovator Award 1DP2OD007292 og Wyss Instituttet for Biologisk Inspireret Engineering Faculty Startup Fund (til PY), og Tsinghua-Peking Center for Life Sciences Startup Fund (til BW).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
DNA Strands | Integrated DNA Technology | Section 3.1 | |
SYBR Safe DNA gel stain | Invitrogen | S33102 | Section 3.4.2 |
Freeze'N Squeeze DNA Gel Extraction Spin Columns | BIO-RAD | 731-6166 | Section 3.6 |
Bruker's Sharp Nitride Lever Probes | Bruker AFM Probes | SNL10 | Section 4.3 |
Safe Imager 2.0 Blue Light Transilluminator | Invitrogen | G6600 | Section 3.6 |
Centrifuge 5430R | Eppendorf | 5428 000.414 | Section 3.6 |
Transmission Electron Microscope | Jeol | Jem 1400 | Section 7.4 |
Multimode 8 | Veeco | Section 4 | |
Typhoon FLA 9000 Laser Scanner | GE Heathcare Life Sciences | 28-9558-08 | Section 3.5 |
Ultrapure Distilled water | Invitrogen | 10977-023 | Section 3.7.1 |
Mica disk | SPI Supplies | 12001-26-2 | Section 4.1 |
Steel mounting disk | Ted Pella, Inc. | 16218 | Section 4.1 |
carbon coated copper grid for TEM | Electron Microscopy Sciences | FCF400-Cu | Section 7.2 |
tweezers | Dumont | 0203-N5AC-PO | Section 7.31 |
glow discharge system | Quorum Technologies | K100X | Section 7.2 |
DNA Engine Tetrad 2 Peltier Thermal Cycler | BIO-RAD | PTC–0240G | Section 3.3 |
Owl Easycast B2 Mini Gel Electrophoresis Systems | ThermoScientific | B2 | Section 3.4.3 |
Seekam LE Agarose 500G | Lonza | 50004 | Section 3.4.1 |
GeneRuler 1kb Plus DNA Ladder, Ready-To-Use 75-20000bp | ThermoScientific | SM1333 | Section 3.4.4 |
Nanodrop 2000c UV-vis Spectrophotometer | ThermoScientific | Section 3.7 | |
0.2 um filter | Corning Inc. | 431219 | Section 7.1.2 |