DNA Origami Analiz ve Deney için Mika ve Silikon Yüzeyler Hazırlanması
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
Ilk olarak 2006 yılında tanıtılan, DNA origami DNA oligonükleotid kendinden montaj doğa designable ve son derece düzenli nano üretmek için kullanır. Yapılarının bir sayısız rapor edilmiştir 1, gülen 3 boyutlu kutuları kilitlenmiş karşı karşıya uzanan. 2 DNA origami Fonksiyonlu edilebilir Çeşitli biyomoleküllerin ve Nano ile nanoelektronik, tıp ve kuantum bilgisayar araştırma uygulamalarına sebebiyet veren. 3 Bununla birlikte, analiz ve birçok gelecek uygulamalar sadece yapısal tasarımı bağlı değil, aynı zamanda yüzeylere DNA origami nanoyapıların yapışma vardır. mika ve işlevselleştirilmiş silikon oksit: Bu yazıda tarif edilen yöntemler, alt-tabakaların iki tip DNA origami örneklerinin hazırlanması ile ilgilidir.
0.02 nm ± nm 0.37 tabakası yüksekliği ile, atomik düz olduğundan Mika, DNA origami çalışmaları için tercih substrat olduğunu. 4 Ayrıca EAS olduğunuily numune hazırlama ve atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) çalışmaları anlaşılır hale temizlenmelidir. Muskovit mika, her bölme düzlemi içinde bir potasyum yüksek yoğunluklu içerir, ancak zaman suda bu iyonlar mika yüzeyinden uzaklaşacak şekilde yayılan. Mika alt-tabaka DNA origami bağlanma aracılık etmek için, Mg2 + mika negatif yük ters elektrostatik alt-tabaka (Şekil 1A), DNA fosfat omurgası bağlamak için kullanılır. Tavlanmış DNA 5 karışımlar büyük varlığında Mg 2+ -terminated yüzeye DNA origami yapışması tek sarmallı oligonükleotitlere (elyaf iplikler) yapışma çok daha güçlüdür, çünkü elyaf şeritlerinin aşırılıkları mika yüksek kapsama alanı ve iyi görüntüler verir. Ni2 + ve Co2 + dahil olmak üzere diğer pozitif yüklü iyonlar, mika DNA yapışmayı kontrol etmek için de kullanılabilir. 6,7 Adhe aracılık edebilen çözelti içinde tek-değerli ve çift değerli katyonlarının konsantrasyonu değiştirmeDNA origami sion ve yüzey difüzyon oranları. 8 Ancak, mika substratları hazırlamak ve yatırma ve origami durulama için protokol genellikle açıkça net bir protokole olmadan yayınlanan yazılarda. 9'da tarif edilmez, tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek zor olabilir.
Mika bir izolatör, bu yüzden nanoelektronik bazı uygulamalar için, bir alt-tabaka olarak uygun değildir. Ince yerli oksit ile pasifize Silikon giriş / çıkış yapıları ve topografik özellikleri oluşturmak için önce ücretsiz metal oksit yarı iletken (CMOS) işleme ile uyumluluk da dahil olmak üzere arzu edilen elektronik özelliklere sahiptir. Havada depolanan Silikon gofret kalın termal oksit veya yüksek partikül sayımı ile nispeten kirli ince yerli oksit filmi ile ya pasifize edilmiştir. Silikon oksit, mika çok daha düşük bir yüzey yük yoğunluğuna sahiptir ve yük yoğunluğu oksit hazırlama ve tarihi hakkında oldukça bağlıdır. Magnezyum ° C'de iyon konsantrasyonu Abo150 mM A.Ş., iyi teminatlar (en fazla 4 / um 2) dikdörtgen DNA origami oksijen plazma tedavi silikon yüzeyler elde edilebilir; Bununla birlikte, bu konsantrasyon, ve kapsama kullanılan boyut ve nano-tasarımına bağlı olarak değişebilir. 10 alternatif bir protokol yüzey yükü ayarlama için 3-aminopropiltrietoksisilan (aptes) (Şekil 1B) bir katyonik kendi kendini monte tek tabaka iliştirmektir oksittir. APTES birincil amin substratının şarjının ve hidrofobisitesinin değiştirerek, 9'un altında pH değerlerinde protonlanabilir edilebilir. APTES tam bir tek tabaka için 11 başarılı bir şekilde yatırılır, silisyum uygun Amerika Radyo Corporation (RCA) protokoller kullanılarak temizlenmelidir . Bu protokoller, organik kısmı ve parçacık kirleri çıkarmak için amonyum hidroksit ve hidrojen peroksit çözeltileri (RCA1) tedavileri içerir. Sulu hidroflorik asit çözeltisi içinde kısa bir aşındırma ile birlikte doğal bir oksit tabakası kaldırıroksit bağlı herhangi bir iyonik kirleticiler. Son olarak, numune, bir ince, düzgün bir oksit tabakası metal ve iyonik kirlilikleri uzaklaştırmak ve oluşturulması için bir hidroklorik asit ve hidrojen peroksit çözeltisi (rca2) maruz bırakılır. 12 En çok temiz oda kullanılabilir ne katı kurallara CMOS temizleme protokolleri için davlumbaz belirlemiş Bu alanlarda. Yaygın bir sorun midbandgap tuzaklar oluşturarak CMOS yapıların elektronik özelliklerini bozabilir sodyum gibi iyonları, şeklinde geliyor. 13 İyonlar genellikle kullanan diğer araştırmacılar sorunlara CMOS banyoları kirletebilir ve neden olabilir DNA origami hazırlama ve çökelme tamponlar kullanılmaktadır temiz oda. Bu nedenle, bizim grup bir tezgah temizlik 'kirli' CMOS DNA origami araştırma için kullanılan küçük örnekler için özel olarak düzenlenmiş kullanır. Bu süreç, geleneksel temiz oda set-up için iyi bir alternatif olduğunu ve bir temiz oda CMOS tezgaha erişiminiz yoksa laboratuvarlar için uygun olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tutarlı ve ideal sonuçlar elde etmek için vurgulanması gereken gereken birkaç adım vardır. Mika örneklerinde, sıkı ve kapsamlı durulama takip ve adımlar 3.3 ve 3.4 gibi rejimi kurutmak için bireysel DNA origami yüksek kaliteli görüntüler Temsilcisi Sonuçlar bölümünde özetlenen çeşitli sorunlar olmadan AFM kullanılarak elde edilebilir olmasını sağlayacaktır. Silikon örnekleri için birincil öneme sahip alt tabakanın temizliktir. Iyice ve titizlikle adımda 5.2 özetlenen temizleme prosedü…
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).
