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 selvmonteringsarbeid 1-25 har ført til en vellykket bygging av en rekke komplekse strukturer, inkludert DNA 2 – 5,8,10 – 13,17,23 eller RNA 7,22 periodisk 3,4,7, 22 og algoritmisk 5 todimensjonale innhegninger, bånd 10,12 og rør 4,12,13, 3D krystaller 17, polyedre 11 og endelig, former 2D 7,8. En spesielt effektiv fremgangsmåte er stillaset DNA origami, hvorved en enkelt stillas tråd brettes av mange korte hjelpe stift strengene for å danne et kompleks form 9,14 – 16,18 – 21,25.
Vi har nylig rapportert en metode for å konstruere diskrete nanostrukturer med fastsatte 2D figurer ved hjelp av enkelt-strandet fliser (SST), og demonstrerte strukturer med kompleksitet sammenlignes med DNA origami 26. Dette article er en tilpasning av vår tidligere arbeidet 26 og beskriver detaljert protokoller for å arrangere individuelt adresser SSTS til sofistikerte endelig 2D figurer med nettopp foreskrevet dimensjoner (bredder og lengder) og morfologi. En viktig fordel med SST metoden er dens modularitet. Hver komponent SST av en struktur fungerer som en modulær konstruksjon enhet i forsamlingen, og ulike undergrupper av disse SSTS produsere forskjellige former. Dermed etablerte vi en generell plattform for å bygge nanostrukturer med foreskrevet størrelser og former fra korte, syntetiske DNA-trådene.
SSTS inneholde fire domener, hver 10 eller 11 nukleotider lang (Figur 1a). De SSTS binde slik at deres parallelle spiraler lage en DNA gitter holdt sammen av crossover bindinger. Hver crossover er fosfat mellom domenene 2 og 3. fosfat strekkes kunstig i diagrammene for visuell klarhet. Crossovers er plassert to skrueviklinger (21 baser) fra hverandre (<strong> Figur 1B). De sammensatte rektangler er referert til ved sine dimensjoner i antall helikser og skrueviklinger. For eksempel, et rektangel som er seks heliksene bred og åtte skrueviklinger lenge er referert til som en 6 H x 8T rektangel. SSTS kan bli tatt ut, lagt til, eller på annen måte omdisponeres til å skape strukturer av vilkårlige former og størrelser (figur 1C). For eksempel kan en rektangulær utforming bli rullet til et rør med en ønsket lengde og radius (figur 1D).
Alternativt kan den rektangulære SST gitteret bli sett på som en molekylær lerret består av SST piksler, hver 3 nm med 7 nm. I denne studien bruker vi en molekylær lerret av 310 helaftens interne SSTS, 24 helaftens SSTS gjøre opp venstre og høyre grenser, og 28 halv lengde SSTS danner de øvre og nedre grenser. Lerretet har 24 dobbeltrom helikser koblet av crossovers og hver helix inneholder 28 skrueviklinger (294 baser) og omtales derfor somen 24H × 28T rektangulær lerret. 24H × 28T lerretet har en molekylvekt lik som en DNA origami struktur opprettet fra en M13-fag stillaset.
I strukturen dannelsestrinnet, er det viktig å holde en passende konsentrasjon av magnesium-kationer (f.eks., 15 mM) i DNA-tråden blandingen til selv montere DNA nanostrukturer. Tilsvarende, i agarosegelen karakteriser / rensetrinnet, er det viktig å holde en passende konsentrasjon magnesium kation (f.eks., 10 mM) i gelen og gelen rennende buffer for å opprettholde DNA-nanostrukturer under elektroforese. For 24H x 28T rektangel struktur, testet vi gløding i forskjellige konsentrasjoner, og Mg <sup…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble finansiert av Office of 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 Institutt for Biologisk Inspirert teknikk Fakultet Startup Fund (til PY) og Tsinghua-Peking Senter for miljø- og biovitenskap 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 |