Summary

עצמי הרכבה של צורות דו-ממדיות מורכבות מחד-גדילי דנ"א אריחים

Published: May 08, 2015
doi:

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

עבודת הרכבה עצמית קודמת חומצות גרעין 1-25 הובילה לבנייה המוצלחת של מגוון רחב של מבנים מורכבים, לרבות DNA 2 – 5,8,10 – 13,17,23 או RNA 7,22 3,4,7 תקופתי, 22 ו -5 דו ממדים אלגוריתמיים חסימה, סרטים 10,12 וצינורות 4,12,13, גבישי 3D 17, פאונים 11 וסופיים, 2D מעצב 7,8. שיטה יעילה במיוחד היא מלווה בתמיכת אוריגמי DNA, לפיה גדיל פיגום אחת מקופל על ידי רב גדילי מצרך עזר קצרים ליצירת צורה מורכבת 9,14 – 16,18 – 21,25.

לאחרונה דיווחו שיטה לבניית ננו הדיסקרטי עם צורות 2D נקבעו באמצעות אריחים חד-גדילים (SST), והפגינו מבנים עם מורכבות דומה לאוריגמי DNA 26. articl זהדואר הוא עיבוד של העבודה הקודמת שלנו 26 ומתאר מפורט פרוטוקולים להסדרת טמפרטורת פני הים מיעון בנפרד לצורות 2D סופיות מתוחכמות עם ממדים שנקבעו בדיוק (רוחב ואורך) ומורפולוגיות. יתרון מרכזי אחד של שיטת SST הוא המודולריות שלה. כל SST המרכיב של מבנה משמש כיחידת בנייה מודולרית בהרכבה, וקבוצות משנה שונות של טמפרטורת פני הים אלה לייצר צורות שונות. כך, הקמנו פלטפורמה כללית לבניית ננו עם גדלים וצורות שנקבעו מגדילי דנ"א קצרים, סינטטיים.

טמפרטורת פני הים מכילים ארבעה תחומים, כל אחת (איור 1 א) באורך 10 או 11 נוקלאוטידים. טמפרטורת פני הים להיקשר כך שהסלילים המקבילים שלהם ליצור סריג DNA מוחזק ביחד על ידי קשרים מוצלבים. כל מוצלב הוא פוספט בין תחומים 2 ו -3 פוספט נמתח באופן מלאכותי בתרשימים לבהירות חזותית. הצלבות מרווחים שני סיבובי סליל (21 בסיסים) מזה (<1B strong> איור). המלבנים מרוכבים מכונים על ידי ממדיהם במספר הסלילים וסיבובי סליל. לדוגמא, מלבן שרוחבו שישה סלילים ושמונה סליל הופך ארוך הפניה כ6H × מלבן 8T. ניתן להשאיר את טמפרטורת פני ים החוצה, הוסיפו, או מחדש בדרך אחרת כדי ליצור מבנים של צורות וגדלים (איור 1 ג) שרירותיות. לדוגמא, עיצוב מלבני ניתן התגלגל לתוך צינור באורך רצוי ורדיוס (1D איור).

לחלופין, סריג SST המלבני ניתן לראות כבד מולקולרי המורכב מפיקסלים SST, כל ננומטר 3 על ידי 7 ננומטר. במחקר זה, אנו משתמשים בבד מולקולרי של 310 טמפרטורת פני הים פנימית באורך מלא, 24 טמפרטורת פני הים באורך מלא המרכיבות את גבולות ימין ועל השמאל, וטמפרטורת פני ים 28 חצי אורך להרכיב את הגבולות העליונים ותחתונים. יש הבד 24 סלילים כפולים מקושרים על ידי הצלבות וכל סליל מכיל 28 סיבובי סליל (294 בסיסים), ולכן הוא מכונה24H × בד מלבני 28T. 24H × בד 28T יש משקל מולקולרי דומה לזה של מבנה אוריגמי DNA שנוצר מפיגום הפאג M13.

Protocol

1. ה- DNA רצף עיצוב השתמש בתוכנת UNIQUIMER 27 לתכנן מבנה SST-סופי על ידי ציון מספר הסלילים כפולים, האורכים של סליל העליון ותחתון לכל סליל כפול, ואת התבנית המוצלב ליצור 24H × בד 28T. לאחר הגדרת פרמטרים אלה, הארכיטקטורה הכוללת (ה?…

Representative Results

ההרכבה העצמית של טמפרטורת פני הים (איור 1) תניב 24H × מלבן 28T, כפי שמודגם באיור 2. רצפי DNA לטמפרטורת פני הים השונים יכולים להיות שונה / מותאם כדי לאפשר תיוג streptavidin (איור 3 ו -4), את הפיכתו של מלבן לתוך צינור (איור 5), הרכבה העצמית הני…

Discussion

בשלב היווצרות מבנה, חשוב לשמור על ריכוז מתאים של קטיונים מגנזיום (למשל., 15 מ"מ) בתערובת גדיל DNA לDNA ננו העצמי להרכיב. כמו כן, בשלב אפיון agarose ג'ל / טיהור, חשוב לשמור על ריכוז קטיון מגנזיום מתאים (למשל., 10 מ"מ) בג'ל וחיץ ריצת ג'ל לשמור DNA ננו במהלך אלקטרופור…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו מומנה על ידי משרד הצי צעיר מחקר תכנית פרס חוקר N000141110914, משרד המחקר של צי גרנט N000141010827, NSF פרס קריירת CCF1054898, פרס ממציא ניו 1DP2OD007292 של מנהל ה- NIH ומכון Wyss לפקולטה להנדסת הפעלת קרן בהשראה ביולוגית (לPY) ו צינג-פקינג מרכז למדעי חיים הפעלת קרן (לBW).

Materials

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

References

  1. Seeman, N. C. Nucleic acid junctions and lattices. J. Theor. Biol. 99 (2), 237-247 (1982).
  2. Fu, T. J., Seeman, N. C. DNA double-crossover molecules. Biochemistry. 32 (13), 3211-3220 (1993).
  3. Winfree, E., Liu, F., Wenzler, L. A., Seeman, N. C. Design and self-assembly of two-dimensional DNA crystals. Nature. 394 (6693), 539-544 (1998).
  4. Yan, H., Park, S. H., Finkelstein, G., Reif, J. H., LaBean, T. H. DNA-templated self-assembly of protein arrays and highly conductive nanowires. Science. 301 (5641), 1882-1884 (2003).
  5. Rothemund, P. W. K., Papadakis, N., Winfree, E. Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles. PLoS Biol. 2 (12), e424 (2004).
  6. Shih, W., Quispe, J., Joyce, G. A 1.7-kilobase single-stranded DNA that folds into a nanoscale octahedron. Nature. 427 (6975), 618-621 (2004).
  7. Chworos, A., et al. Building programmable jigsaw puzzles with RNA. Science. 306 (5704), 2068-2072 (2004).
  8. Park, S. H., et al. Finite-size, fully-addressable DNA tile lattices formed by hierarchical assembly procedures. Angew. Chem. Int. Ed. 45 (5), 735-739 (2006).
  9. Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
  10. Schulman, R., Winfree, E. Synthesis of crystals with a programmable kinetic barrier to nucleation. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 104 (39), 15236-15241 (2007).
  11. He, Y., et al. Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra. Nature. 452 (7184), 198-201 (2008).
  12. Yin, P., et al. Programming DNA tube circumferences. Science. 321 (5890), 824-826 (2008).
  13. Sharma, J., et al. Control of self-assembly of DNA tubules through integration of gold nanoparticles. Science. 323 (5910), 112-116 (2009).
  14. Douglas, S. M., Dietz, H., Liedl, T., Högberg, B., Graf, F., Shih, W. M. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
  15. Andersen, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).
  16. Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
  17. Zheng, J. P., et al. From molecular to macroscopic via the rational design of self-assembled 3D. DNA crystal. Nature. 461 (7260), 74-77 (2009).
  18. Han, D., et al. DNA origami with complex curvatures in three-dimensional space. Science. 332 (6024), 342-346 (2011).
  19. Liu, W., Zhong, H., Wang, R., Seeman, N. C. Crystalline two-dimensional DNA origami arrays. Angew. Chem. Int. Ed. 50 (1), 264-267 (2011).
  20. Zhao, Z., Liu, Y., Yan, H. Organizing DNA origami tiles into larger structures using preformed scaffold frames. Nano Lett. 11 (7), 2997-3002 (2011).
  21. Woo, S., Rothemund, P. Programmable molecular recognition based on the geometry of DNA nanostructures. Nat. Chem. 3 (8), 620-627 (2011).
  22. Delebecque, C. J., Lindner, A. B., Silver, P. A., Aldaye, F. A. Organization of intracellular reactions with rationally designed RNA assemblies. Science. 333 (6041), 470-474 (2011).
  23. Lin, C., Liu, Y., Rinker, S., Yan, H. DNA tile based self-assembly: building complex nanoarchitectures. ChemPhysChem. 7 (8), 1641-1647 (2006).
  24. Seeman, N. C. Nanomaterials based on DNA. Annu. Rev. Biochem. 79 (1), 65-87 (2010).
  25. Voigt, N. V., Nangreave, J., Yan, H., Gothelf, K. V. DNA origami: a quantum leap for self-assembly of complex structures. Chem. Soc. Rev. 40 (12), 5636-5646 (2011).
  26. Wei, B., Dai, M., Yin, P. Complex Shapes self-assembled from single stranded DNA tiles. Nature. 485 (7400), 623-626 (2012).
  27. Wei, B., Wang, Z., Mi, Y. Uniquimer: software of de novo DNA sequence generation for DNA self-assembly: an introduction and the related applications in DNA self-assembly. J. Comput. Theor. Nanosci. 4 (1), 133-141 (2007).
  28. Seeman, N. C. De novo design of sequences for nucleic acid structural engineering. J. Biomol. Struct. Dyn. 8 (3), 573-581 (1990).
  29. Hansma, H. G., Laney, D. E. DNA binding to mica correlates with cationic radius: assay by atomic force microscopy. Biophys. J. 70 (4), 1933-1939 (1996).
  30. Seelig, G., Soloveichik, D., Zhang, D. Y., Winfree, E. Enzyme-free nucleic acid logic circuits. Science. 314 (5805), 1585-1588 (2006).
  31. Yin, P., Choi, H. M. T., Calvert, C. R., Pierce, N. A. Programming biomolecular self-assembly pathways. Nature. 451 (7176), 318-322 (2008).

Play Video

Cite This Article
Wei, B., Vhudzijena, M. K., Robaszewski, J., Yin, P. Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles. J. Vis. Exp. (99), e52486, doi:10.3791/52486 (2015).

View Video