डीएनए origami विश्लेषण और प्रयोगों के लिए मीका और सिलिकॉन substrates की तैयारी
Summary
Reproducible cleaning processes for substrates used in DNA origami research are described, including bench-top RCA cleaning and derivatization of silicon oxide. Protocols for surface preparation, DNA origami deposition, drying parameters, and simple experimental set-ups are illustrated.
Abstract
The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of these applications require interaction with and adhesion of DNA nanostructures to a substrate. Due to its atomically flat and easily cleaned nature, mica has been the substrate of choice for DNA origami experiments. However, the practical applications of mica are relatively limited compared to those of semiconductor substrates. For this reason, a straightforward, stable, and repeatable process for DNA origami adhesion on derivatized silicon oxide is presented here. To promote the adhesion of DNA nanostructures to silicon oxide surface, a self-assembled monolayer of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) is deposited from an aqueous solution that is compatible with many photoresists. The substrate must be cleaned of all organic and metal contaminants using Radio Corporation of America (RCA) cleaning processes and the native oxide layer must be etched to ensure a flat, functionalizable surface. Cleanrooms are equipped with facilities for silicon cleaning, however many components of DNA origami buffers and solutions are often not allowed in them due to contamination concerns. This manuscript describes the set-up and protocol for in-lab, small-scale silicon cleaning for researchers who do not have access to a cleanroom or would like to incorporate processes that could cause contamination of a cleanroom CMOS clean bench. Additionally, variables for regulating coverage are discussed and how to recognize and avoid common sample preparation problems is described.
Introduction
पहली बार 2006 में शुरू की, डीएनए origami डीएनए oligonucleotides के स्वयं कोडांतरण प्रकृति designable और अत्यधिक आदेश दिया है nanostructures निर्माण करने के लिए इस्तेमाल करता है। संरचनाओं के असंख्य सूचित किया गया है 1, स्माइली 3-आयामी बक्से latched करने के लिए चेहरे से लेकर। 2 डीएनए origami क्रियाशील किया जा सकता है विभिन्न biomolecules और nanostructures, साथ nanoelectronics, चिकित्सा, और क्वांटम कंप्यूटिंग में अनुसंधान अनुप्रयोगों को जन्म दे रही है। 3 हालांकि, विश्लेषण और कई भविष्य के आवेदनों न केवल संरचनात्मक डिजाइन पर निर्भर करता है, लेकिन यह भी सतहों के लिए डीएनए origami nanostructures की आसंजन पर हैं। मीका और क्रियाशील सिलिकॉन ऑक्साइड: इस पांडुलिपि में वर्णित विधि substrates के दो प्रकारों पर डीएनए origami नमूनों की तैयारी से संबंधित हैं।
यह 0.02 एनएम ± एनएम 0.37 की एक परत ऊंचाई के साथ, atomically फ्लैट है क्योंकि मीका डीएनए origami पढ़ाई के लिए पसंद की सब्सट्रेट है। 4 यह भी ईएएस हैily नमूना तैयार करने और परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) के अध्ययन सरल बनाने, साफ कर दिया। रूसी अभ्रक प्रत्येक दरार विमान में पोटेशियम की एक उच्च घनत्व होता है, लेकिन जब पानी में इन आयनों मीका सतह से दूर फैलाना। अभ्रक सब्सट्रेट करने के लिए डीएनए origami के बंधन में मध्यस्थता करने के लिए, 2 मिलीग्राम + मीका के नकारात्मक आरोप रिवर्स और electrostatically सब्सट्रेट (चित्रा 1 ए) के लिए डीएनए फॉस्फेट रीढ़ बाध्य करने के लिए प्रयोग किया जाता है। Annealed डीएनए के 5 मिश्रण बड़े की उपस्थिति में 2 मिलीग्राम + -terminated सतह के लिए डीएनए origami के आसंजन एकल असहाय oligonucleotides (प्रधान किस्में) के आसंजन की तुलना में ज्यादा मजबूत है, क्योंकि प्रधान किस्में की ज्यादतियों अभ्रक पर उच्च कवरेज और अच्छा चित्र दे। नी 2 + और सह 2 + सहित अन्य सकारात्मक आयनों का आरोप लगाया, अभ्रक पर डीएनए के आसंजन को नियंत्रित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 6,7 adhe मध्यस्थता कर सकता है समाधान में monovalent और द्विसंयोजक फैटायनों की एकाग्रता को बदलनाडीएनए origami के सायन और सतह के प्रसार की दर। 8 हालांकि, अभ्रक, substrates तैयारी और जमा करने और ओरिगेमी rinsing के लिए प्रोटोकॉल अक्सर स्पष्ट रूप से एक स्पष्ट प्रोटोकॉल के बिना प्रकाशित पांडुलिपियों में। 9 वर्णित नहीं है, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम प्राप्त करने के लिए मुश्किल हो सकता है।
मीका एक इन्सुलेटर है, तो यह Nanoelectronics में कुछ अनुप्रयोगों के लिए एक सब्सट्रेट के रूप में उपयुक्त नहीं है। एक पतली देशी ऑक्साइड के साथ passivated सिलिकॉन इनपुट / आउटपुट संरचनाओं और स्थलाकृतिक सुविधाओं को बनाने के लिए पहले मानार्थ धातु ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रसंस्करण के साथ संगतता सहित वांछनीय इलेक्ट्रॉनिक गुण है। हवा में संग्रहीत सिलिकॉन वेफर्स एक मोटी थर्मल ऑक्साइड या एक उच्च कण गिनती के साथ, अपेक्षाकृत गंदा है कि पतली देशी ऑक्साइड फिल्म के साथ या तो passivated कर रहे हैं। सिलिकॉन ऑक्साइड मीका तुलना में काफी कम सतह चार्ज घनत्व है, और चार्ज घनत्व ऑक्साइड तैयारी और इतिहास पर अत्यधिक निर्भर है। मैग्नीशियम में आयन सांद्रता abo150 मिमी है, तो अच्छा कवरेज (4 / माइक्रोन से 2) आयताकार डीएनए origami की ऑक्सीजन प्लाज्मा इलाज किया सिलिकॉन substrates पर प्राप्त किया जा सकता है; बहरहाल, यह एकाग्रता और कवरेज इस्तेमाल किया जा रहा आकार और nanostructures की डिजाइन के आधार पर बदल सकता है। 10 एक वैकल्पिक प्रोटोकॉल सतह प्रभारी ट्यूनिंग के लिए करने के लिए 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) (चित्रा 1 बी) के एक धनायनित आत्म इकट्ठे monolayer देते है ऑक्साइड। APTES पर प्राथमिक एमाइन सब्सट्रेट के प्रभारी और hydrophobicity को संशोधित करने, 9 से नीचे पीएच मान पर Protonated जा सकता है। APTES की एक पूरी monolayer के लिए 11 सफलतापूर्वक जमा किया, सिलिकॉन उचित रूप से अमेरिका के रेडियो निगम (आरसीए) प्रोटोकॉल का उपयोग साफ किया जाना चाहिए । इन प्रोटोकॉल जैविक अवशेषों और कण दूषित पदार्थों को दूर करने के लिए अमोनियम हाइड्रॉक्साइड और हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान (RCA1) में उपचार शामिल हैं। जलीय Hydrofluoric एसिड के घोल में एक छोटी खोदना के साथ-साथ देशी ऑक्साइड परत को हटाऑक्साइड का पालन करना है कि किसी भी आयनिक दूषित पदार्थों को। अंत में, नमूने एक पतली, वर्दी ऑक्साइड परत धातु और आयनिक दूषित पदार्थों को हटाने और फार्म करने के लिए एक हाइड्रोक्लोरिक एसिड और हाइड्रोजन पेरोक्साइड समाधान (RCA2) के संपर्क में हैं। 12 सबसे cleanrooms के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है के बारे कड़े नियमों के साथ, CMOS सफाई प्रोटोकॉल के लिए डाकू नामित किया है इन क्षेत्रों में। एक आम समस्या midbandgap जाल बनाने के द्वारा CMOS संरचनाओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बाधित कर सकते हैं, जो इस तरह के रूप में सोडियम आयनों के रूप में आता है। 13 आयनों सामान्यतः का उपयोग अन्य शोधकर्ताओं के लिए समस्याओं के CMOS स्नान दूषित और कारण हो सकता है डीएनए origami तैयारी और बयान बफ़र्स में इस्तेमाल किया साफ कमरा। इस कारण से, हमारे समूह एक बेंच की सफाई 'गंदा' CMOS के डीएनए origami अनुसंधान के लिए इस्तेमाल छोटे नमूने के लिए विशेष रूप से व्यवस्था की उपयोग करता है। इस प्रक्रिया में परंपरागत cleanroom सेट अप करने के लिए एक अच्छा विकल्प है और एक cleanroom CMOS के बेंच के लिए पहुँच नहीं है कि प्रयोगशालाओं के लिए उपयुक्त हो सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सुसंगत और आदर्श परिणाम प्राप्त करने के लिए जोर दिया जाना करने की जरूरत है कि कई कदम उठाए हैं। मीका के नमूने, एक सख्त और पूरी तरह से rinsing के बाद और चरणों 3.3 और 3.4 के रूप में शासन सुखाने के लिए, अलग-अलग डीएनए origami क?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Dr. Gary Bernstein for use of the AFM.
Materials
| Eppendorf epT.I.P.S. Reloads, capacity 2-200 μL | VWR International, LLC | 22491733 | 10 reload tray of 96 tips |
| Microcentrifuge Tubes, Polypropylene | VWR International, LLC | 87003-290 | 0.65 mL, natural |
| Research Plus Pippete – Single Channel – 20-200 μL | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960F-3120000054 EACH | Adjustable Volume |
| Research Plus Pippete – Single Channel – 2-20 μL | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960D-3120000038 EACH | Adjustable Volume |
| Scotch 237 Permanent Double-Sided Tape | Office Depot, Inc. | 602710 | 3/4" x 300", Pack of 2 |
| Vortex Mixer | Thermo Scientific | M37610-33Q | |
| Wafer container single, 2" (50 mm), 60 mm x 11 mm | Electron Microscopy Sciences | 64917-2 | 6 per pack |
| 6" Wafer, P-type, <100> orientation, w/ primary flat | Nova Electronic Materials, Ltd. | GC49266 | |
| Powder-Free Nitrile Examination Gloves | VWR International, LLC | 82062-428 | Catalog number is for size large |
| High Accuracy Noncontact probes with Au reflective coating | K-Tek Nanotechnology, Inc. | HA_NC/15 | |
| Autoclave Pan | A. Daigger & Company, Inc. | NAL692-5000 EF25341C | |
| Sol-Vex II Aggressive Gloves, Size: 9-9.5; 15 mil, 13 inch – 1 dz | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | 106-15055 | Before use, rinse with water and scrub together until no bubbles form on the gloves. |
| Tweezers PTFE 200 mm Square | Dynalon Corp. | 316504-0002 | |
| Muscovite Mica Sheets V-5 Quality | Electron Microscopy Sciences | 71850-01 | 10 per pack |
| Mica Disc, 10 mm | Ted Pella, Inc | 50 | Mica discs are optional |
| Scriber Diamon Pen for Glassware | VWR International, LLC | 52865-005 | |
| Scintillation Vials, Borosilicate Glass, with Screw Cap – 20 mL | VWR International, LLC | 66022-060 | Case of 500, with attached polypropylene cap and pulp foil liner |
| 4 x 5 Inch Top PC-200 Hot Plate, 120 V/60 Hz | Dot Scientific, Inc. | 6759-200 | |
| Straight-Sided Glass Jars, Wide Mouth | VWR International, LLC | 89043-554 | Case of 254, caps with pulp/vinyl liner attached |
| Standar-Grade Glass Beaker, 250 mL Capacity | VWR International, LLC | 173506 | |
| Beakers, PTFE | VWR International, LLC | 89026-022 | For use with HF |
| Shallow form watch glass, 3" | VWR International, LLC | 66112-107 | Case of 12 |
| Plastic Storage Container | VWR International, LLC | 470195-354 | For secondary container |
| General-Purpose Liquid-In-Glass Thermometers | VWR International, LLC | 89095-564 | |
| High precision and ultra fine tweezers | Electron Microscopy Sciences | 78310-0 | |
| Polycarbonate Faceshield | Fisher Scientific, Inc. | 18-999-4542 | |
| Neoprene Apron | Fisher Scientific, Inc. | 19-810-609 | |
| Calcium Gluconate, Calgonate | W.W Grainger, Inc. | 13W861 | Tube, 25 g |
| Hydrogen Peroxide 30 % CR ACS 500 mL | Fisher Scientific, Inc. | H325 500 | HARMFUL, TOXIC |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane | Gelest Inc. | SIA0610.0-25GM | Let warm to room temperature before use. |
| Ammonium hydroxide, 2.5 L | Fisher Scientific, Inc. | A669-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific, Inc. | A144-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrofluoric acid | Fisher Scientific, Inc. | A147-1LB | HARMFUL, TOXIC |
| MultiMode Nanoscope IIIa | Veeco Instruments, Inc. | n/a | Any AFM capable of tapping mode is suitable for analysis |
| Dunk basket | Made in lab | Made in lab | The dunk basket was made using the bottom of a PTFE bottle with holes drilled in, PTFE handle, and all PTFE screws. |
References
- Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
- Anderson, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459, 73-77 (2009).
- Wang, Z., Ding, B. Engineering DNA Self-Assemblies as Templates for Functional Nanostructures. Acc. Chem. Res. 47, 1654-1662 (2014).
- Xu, K., et al. Graphene Visualizes the First Water Adlayers on Mica at Ambient Conditions. Science. 329, 1188-1191 (2010).
- Bustamante, C., et al. Circular DNA-molecules imaged in air by scanning force microscopy. Biochemistry. 31, 22-26 (1992).
- Hsueh, C., et al. Localized Nanoscopic Surface Measurements of Nickel-Modified Mica for Single-Molecule DNA Sequence Sampling. ACS Appl Mater. Interfaces. 2, 3249-3256 (2010).
- Pastre, D., et al. Anionic polyelectrolyte adsorption on mica mediated by multivalent cations: A solution to DNA imaging by atomic force microscopy under high ionic strengths. Langmuir. 22, 6651-6660 (2006).
- Woo, S., et al. Self-assembly of two-dimensional DNA origami lattices using cation-controlled surface diffusion. Nature Communications. 5, 4889 (2014).
- Vesenka, J., et al. Substrate preparation for reliable imaging of DNA molecules with the scanning force microscope. Ultramicroscopy. 42-44, 1243-1249 (1992).
- Albrechts, B., et al. Adsorption studies of DNA origami on silicon dioxide. , (2010).
- Sarveswaran, K., et al. Adhesion of DNA Nanostructures and DNA Origami to lithographically patterned self-assembled monolayers in Si[100]. Proc. of SPIE-Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M-1 (2010).
- Kern, W., Puotien, D. A. Cleaning solutions based on hydrogen peroxide for use in silicon semiconductor technology. RCA Rev. 31, 187-206 (1970).
- Pillers, M., Goss, V., Lieberman, M. Electron-Beam Lithography and Molecular Liftoff for Directed Attachment of DNA Nanostructures on Silicon: Top-down Meets Bottom-up. Acc. Chem. Res. 47, 1759-1767 (2014).
- Saccá, B., Niemery, C. M. DNA Origami: The Art of Folding DNA. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 58-66 (2012).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37, 5001-5006 (2009).
- Ben-Ishay, E., et al. Designing a Bio-responsive Robot from DNA. Origami. J. Vis. Exp. (77), e50268 (2013).
- Woo, S., et al. Programmable molecular recognition based on the geometry of DNA nanostructures. Nature Chemistry. 3, 620-627 (2011).
- Schlegel, M. L., et al. Cation sorption on the muscovite (001) surface in chloride solutions using high-resolution X-ray reflectivity. Geochim. Cosmochim. Acta. 70, 3549-3565 (2006).
- Rasband, W. S., Howarter, J. A., et al. National Institutes of Health. Langmuir. 22, 11142-11147 (2006).
- Kershner, R. J., et al. Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces. Nature Nanotechnology. 4, 557-561 (2009).
- Hung, A. M., et al. Large-area spatially ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographically confined DNA origami. Nature Nanotechnology. 5, 121-126 (2010).
- Sarveswaran, K., et al. et al.Adhesion of DNA nanostructure and DNA origami to lithographically patterned self-assembled monolayers on Si[100. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M (2010).
- Pillers, M. A., Lieberman, M. Thermal stability of DNA origami on mica. J. Vac. Sci. Technol. B. 32, 040602 (2014).
- Song, J., et al. Direct Visualization of Transient Thermal Response of a DNA. Origami. J. Am. Chem. Soc. 134, 9844 (2012).
- Wei, X., et al. Mapping the thermal behavior of DNA origami nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 135 (16), 6165-6176 (2013).
- Hyojeong Kim, ., et al. Stability of DNA Origami Nanostructures under Diverse Chemical Environments. Chem. Mater. 26, 5265-5273 (2014).
