Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Montering av gull Nanorods i Chiral Plasmonic Metamolecules ved hjelp av DNA Origami maler

Published: March 5, 2019 doi: 10.3791/59280
Automatic Translation
1, 1,2, 1
1Department of Neuroscience and Biomedical Engineering, Aalto University School of Science, Aalto FI-00076, 2Faculty of Chemical Engineering, Ho Chi Minh City (HCMC) University of Technology, Vietnam National University - Ho Chi Minh City (VNU-HCM), Ho Chi Minh City 700000

Summary

Vi beskriver detaljert protokollen for DNA origami-baserte montering av gull nanorods i chiral plasmonic metamolecules med sterk chiroptical svar. Protokollen er ikke begrenset til chiral konfigurasjoner og lett kan tilpasses til fabrikasjon av ulike plasmonic arkitekturer.

Abstract

Den iboende adresserbarhet DNA origami strukturer gjør dem ideelle maler for arrangement av metall nanopartikler i komplekse plasmonic nanostrukturer. Høy romlig presisjon av en DNA origami mal forsamling kontrollerer koblingen mellom plasmonic resonanser av personlige partikler og kan skreddersy optiske egenskaper av konstruert nanostrukturer. Nylig tiltrukket chiral plasmonic systemer mye oppmerksomhet på grunn av den sterke sammenhengen mellom romlige konfigurasjonen av plasmonic samlinger og optisk svar (f.eks sirkulære dichroism [DVD]). I denne protokollen beskriver vi hele arbeidsflyten for generering av DNA origami-baserte chiral samlinger av gull nanorods (AuNRs). Protokollen inneholder en detaljert beskrivelse av designprinsipper og eksperimentelle prosedyrer for fabrikasjon av DNA origami maler, syntese av AuNRs og montering av origami-AuNR strukturer. I tillegg er karakterisering av strukturer overføring elektronmikroskop (TEM) og CD spektroskopi inkludert. Beskrevet protokollen er ikke begrenset til chiral konfigurasjoner og kan tilpasses for bygging av ulike plasmonic arkitekturer.

Introduction

DNA nanostrukturer, DNA origami særlig brukt mye til å ordne molekyler og andre nanoskala komponenter (f.eks proteiner og nanopartikler [NPs]), med nanometer presisjon i nesten vilkårlig geometrier1,2 , 3 , 4 , 5. evne til å arrangere metall NPs på DNA origami maler med høy ytelse og nøyaktighet gjør fabrikasjon av plasmonic strukturer med romanen optiske egenskaper6,7,8, 9 , 10. DNA origami teknikken er spesielt nyttig for generering av chiral plasmonic strukturer, som krever genuint tredimensjonale arkitekturer11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.

Denne protokollen beskriver i detalj hele prosessen med fabrikasjon av DNA origami mal chiral samlinger av AuNRs. Programvaren brukes for design21 struktur prediksjon22,23 av DNA origami er intuitivt og fritt tilgjengelig. Origami fabrikasjon og AuNR syntese bruker vanlige biokjemi laboratorieutstyr (f.eks thermocyclers, gel geleelektroforese, kokeplater, sentrifuger). Strukturer kjennetegnes ved hjelp av standard TEM og CD spektroskopi.

Fabrikasjon av lignende plasmonic nanostrukturer ovenfra og ned metoder (f.eks elektron strålen litografi) ville kreve ganske komplisert og dyrt utstyr. I tillegg gir DNA origami maler muligheten til å innlemme strukturelle reconfigurability i plasmonic samlinger24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, som er ekstremt utfordrende for strukturer fremstille med litografi teknikker. Sammenlignet med andre molekylære tilnærminger34,35,36,37, gir DNA origami-baserte fabrikasjon høy romlig presisjon og programmering.

Protocol

1. prosjektert av DNA origami

  1. Identifisere ønsket relative romlige ordningen med AuNRs og passer formen på DNA origami malen (figur 1A). Anslå strukturelle parameterne for AuNRs og origami maler. Finn omtrentlige plasseringen av stiftene som krever videre modifikasjon (figur 1B).
  2. Dataoverføre og installere caDNAno18 for å designe en DNA origami mal. I caDNAno, rute stillaset og stift tråder etter ønskede malen og generere stift tråder sekvensen ved å klikke Seq verktøyet. Klikk Paint-verktøyet og merke stift tråder som krever ytterligere endring (figur 1C).
  3. Klikk Eksporter verktøy for å eksportere de stift DNA-sekvensene (figur 1C) til en CSV-fil.
  4. Utforme double-strandet låser å fikse vinkel Θ mellom to origami pakker. Avhengig av den relative orienteringen av to pakker, kan origami Konstruer tilpasse venstre - eller høyrehendte (LH/RH) chiral romlige konfigurasjon (figur 1B).
  5. Importere stiftene CSV-filen til et regnearkprogram. Legg polyA10 på slutten av stiftene brukes for AuNR montering (håndtakene). Endre stift tråder på designet lås nettsteder med lås sekvenser.
    Merk: Samlingene i representant resultatene inneholder 36 håndtak stikker på 3 slutten av stiften tråder, 18 på hver DNA origami bunt, likt fordelt på to parallelle helikser hver 21 nt. Avstanden mellom først og siste håndtak posisjon er 168 nt, ca 57 nm (se vedlagte caDNAno filen).

2. montering av DNA origami maler

  1. Forberede en arbeider lager av stiften tråder (SM), inkludert tråder med håndtak og låser, ved å blande lik mengde konsentrasjon-normalisert stifte oligonucleotides (f.eks, 100 µM).
    Merk: Origami strukturer inneholder vanligvis flere hundre av stiften tråder. Stifter vanligvis kjøpes fra leverandører spesialiserer syntese av DNA oligonucleotides i multiwell (f.eks, 96-brønns) plater.
  2. 500 µL av 10 nM origami, blande 50 µL Tris-EDTA (TE, 10 x), 100 µL av MgCl2 (100 mM), 25 µL av NaCl (100 mM), 175 µL av H2O, 100 µL av SM (0,5 µM), 5 µL av Lås tråder (5 µM) , og en 50 µL stillaset (100 nM).
  3. Anneal blandingen i en thermocycler fra 80 ° C til 20 ° C som beskrevet i tabell 1.

3. DNA origami rensing

Merk: Denne delen beskriver protokollen for agarose gel rensing. DNA origami maler kan også bli renset ved hjelp av alternative tilnærminger38,39.

  1. For 1% gel, oppløse 1 g agarose i 100 mL Tris borate EDTA (TBE, 0.5 x) ved oppvarming blandingen i en mikrobølgeovn. Legge til 10 µL av 10 000 x DNA flekken etter flekken spesifikasjonen. For å minimere eksponering for UV-lys på den utvinning trinnet (trinn 3.6), kan du bruke en DNA flekk som kan visualiseres under blå eksitasjon.
  2. Cool løsningen på ca 40 ° C og sakte legge 1 mL av MgCl2 (1.3 M) mens risting. Fell gel og ruge i 30 min ved romtemperatur.
  3. Sette det geleelektroforese apparatet og hell kald (4 ° C) kjører buffer (0,5 x TBE med 11 mM MgCl2) i boksen gel. Plass boksen gel i en isen vannbad.
  4. Legge til lasting buffer origami prøvene (6 x lasting buffer inneholder 15% polysucrose 400 og 0,25% bromophenol blå i vann). Legg prøvene i brønnene med riktig volum etter kammen brukes (f.eks, 50 µL for en 8-vel kam av 1,5 mm tykkelse).
  5. Kjøre geleelektroforese 2 h på 80 V.
    Merk: For å karakterisere origami og skille åpne og lukkede strukturen, bruke 2% gel i stedet for 1% og forlenge kjøretiden til 4 h.
  6. Bilde gel med gel imager (figur 2). Bruk en blå lys transilluminator å visualisere bandene, kuttet origami bandet, knuse gel på en parafilm og ekstra væske. Utvinning avkastningen er omtrent 40%.
  7. Pipetter væsken i en sentrifugal filter enhet og spinn på 3000 x g for 5 min. måle absorpsjon av origami løsningen på 260 nm med en UV-synlig (UV-VIS) spectrometer. Beregn konsentrasjonen av origami bruker en utryddelse koeffisient 1,3 x 108 M-1·cm-1.
    Merk: Typisk konsentrasjonen av origami løsning etter agarose gel rensing er 1-2 nM.
  8. Lagre renset origami malene på 4 ° C for senere bruk.

4. syntese av gull nanorods

Merk: Protokollen for AuNR syntese er tilpasset fra forrige litteratur40 med mindre endringer.

  1. Vask alle glass med Kongevann i 5 minutter, skyll den med vann, sonicate det med ultrapure vann og tørke den før bruk.
  2. Forberede 0,2 M hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), 1 mM HAuCl4, 4 mM AgNO3, 64 mM L (+)-askorbinsyre, og 6 mM NaBH4. Bruk kaldt vann (4 ° C) å oppløse NaBH4 og holde den i kjøleskap på 4 ° C. Askorbinsyre løsning må være nylaget.
    FORSIKTIG: CTAB er farlig ved hudkontakt (irriterende), øyekontakt (irriterende), fordøyelse og innånding. Bruk egnede verneklær. I tilfelle utilstrekkelig utlufting, Bruk egnet åndrettsvern. NaBH4 er ekstremt farlig ved hudkontakt (irriterende), øyekontakt (irriterende), fordøyelse og innånding. Bruk splash briller, en labfrakk, hansker og en damp og støv respirator. Husk å bruke en godkjent/sertifisert respirator eller tilsvarende.
  3. Forberede Au frø.
    1. Legge til 500 µL av CTAB (0,2 M), 250 µL ultrapure vann og 250 µL HAuCl4 (1 mM) i et hetteglass. Rør på 450 rpm ved romtemperatur for 5 min.
    2. Øke omrøring hastigheten til 1200 rpm. Legg 100 µL av kalde NaBH4 løsning (6 mM, 4 ° C). Etter 2 min, stopper omrøring og ruge løsningen i et vannbad på 30 ° C i 30 min før bruk.
  4. Forberede AuNRs.
    1. Løses 0.55 g av CTAB og 0.037 g i 2,6-dihydroxybenzoic acid i 15 mL varmt vann (60-65 ° C) i en runde bunn kolbe. Avkjøl løsningen på 30 ° C, legge til 600 µL av AgNO3 (4 mM) og rør på 450 rpm i 2 minutter. Så, la løsningen uforstyrret i 15 min på 30 ° C.
    2. Legge 15 mL HAuCl4 (1 mM) til løsningen, og rør på 450 rpm for 15 min. legge 120 µL av L (+)-askorbinsyre (64 mM), og deretter umiddelbart, rør på 1200 rpm for 30 s. Legg 12 µL av Au frø og holder gripende 1200 RPM for 30 s.
    3. Inkuber løsningen i et vannbad ved 30 ° C i 18 t. Ikke forstyrr løsningen og bruker en lue til å lukke kolbe.
    4. Overføre den resulterende løsningen sentrifuge rør og sentrifuger 9500 x g i 12 min ved 20 ° C. Forkaste nedbryting, spre pellet i 20 mL ultrapure vann, og utfør ett sentrifugering skritt.
    5. Spre den endelige pellet i 3 mL destillert vann. Beregn konsentrasjonen av AuNRs fra en UV-VIS absorpsjon måling med utryddelse koeffisient for langsgående plasmon resonans. Utryddelse koeffisient kan forutsies AuNR figur parametere41. Lagre AuNRs på 4 ° C for videre bruk.

5. functionalization av gull nanorods med enkelt-strandet DNA

Merk: Denne delen beskriver protokollen for AuNR functionalization med enkelt-strandet DNA (ssDNA), følge såkalte lav pH rute tilpasset fra forrige litteratur42. AuNRs dekket med DNA blir renset ved sentrifugering; Alternativt kan rensing utføres med agarose gel geleelektroforese.

  1. Inkuber 20 µL av thiol-functionalized polyT DNA tilnærmingene (1 mM) med 20 µL av ferskt tilberedte tris(2-carboxyethyl) phosphine hydroklorid (TCEP, 14 mM) 1t å redusere disulfide obligasjoner.
    Merk: Skjemaet thiol groups obligasjoner med AuNRs, og polyT sekvensen arten med polyA10 håndtaket på origami, som for mange eller for få base parene kan føre til en feil eller en ustabil samling.
    FORSIKTIG: TCEP kan forårsake alvorlige hud brannsår og øyeskade. Bruk beskyttende hansker/beskyttende klær/øye beskyttelse/ansikts-sjerm.
  2. Mix 150 µL av AuNRs (10 nM) og 40 µL TCEP-behandlet thiol-DNA (0,5 mM). Legge til 1% natrium dodecyl sulfate (SDS) AuNR løsningen å nå en siste SDS konsentrasjon på 0,05%. Justere pH til 2,5-3 med ~ 1 µL av HCl (1 M).
  3. Inkuber for 2t mens riste på 70 rpm.
    Merk: AuNR-til-DNA forholdet bør være i 1:5, 000-15.000, avhengig av stenger. For AuNRs (70 nm x 30 nm) utarbeidet etter protokollen beskrevet i del 4, en 13.000 overflødig i thiol-DNA anbefales.
  4. Legg NaCl å nå en siste NaCl concertation 0,5 m og ruge 4 h ved romtemperatur mens riste på 70 rpm.
    Merk: En fargeendring på dette trinnet kan indikere en mislykket DNA functionalization.
  5. Justere pH til ~8.5 med TBE buffer (10 x) og ruge over natten.
  6. Vask DNA-AuNRs 4 x ved å blande prøvene med 1 mL av vaske bufferen (0,5 x TBE med 0,1% SDS), og sentrifuge 7000 x g for 30 min. fjerne nedbryting og resuspend DNA-AuNRs i den gjenværende væsken (~ 40 µL). Beregn konsentrasjonen av DNA-AuNRs fra en UV-VIS absorpsjon måling som beskrevet i trinn 4.4.5.
    Merk: Løsningen kan bli litt 'skyet' skritt 5.3-5.4 på grunn av CTAB utskifting fra overflaten av AuNRs av thiol-DNA. Løsningen bør avklares ved oppvarming opp til ~ 35 ° C i 5 minutter.

6. montering av gull nanorods på DNA origami maler

  1. Legge til MgCl2 løsning av renset DNA-AuNRs, til en siste konsentrasjon av 10 mM. Bland renset DNA-AuNRs og origami er en 10:1 ratio.
    Merk: Lavere forholdet reduseres produktet avkastning43.
  2. Anneal blandingen i en mikser med en temperaturkontroll fra 40 ° C til 20 ° C mens riste på 400 rpm, følge fremgangsmåten i tabell 2.
    Merk: For CD karakterisering, prøven kan måles etter dette trinnet uten ytterligere rensing.
  3. Bruke 0,7% agarose gel geleelektroforese (3,5 h på 80 V) å rense den endelige origami-AuNR strukturen.
  4. Bruk et hvitt lys transilluminator for bildebehandling. Kutte produkt bandet (origami-AuNR dimer) (Figur 3), knuse gel på en parafilm, og pakk ut væske. Pipetter væsken i en sentrifugal filter enhet og spinn på 3000 x g for 5 min. Resuspend origami-AuNRs i løsningen. Utvinning avkastningen fra gel er ca 50%.
  5. Beregn konsentrasjonen av origami-AuNR strukturer fra en UV-VIS absorpsjon måling som beskrevet i trinn 4.4.5.

7. overføring elektronmikroskop bildebehandling

Merk: Denne uranyl formatter (UFo) flekker protokollen er tilpasset fra forrige litteratur44.

  1. Mix 200 µL av UFo løsning (0,75%) og 1 µL av NaOH (5 M) og vortex umiddelbart for 2-3 min. sentrifuge flekken løsningen i 3-4 min 14.000 x g. Beskytte flekken fra lyseksponering (f.eks ved å pakke den i aluminiumsfolie).
    FORSIKTIG: UFo er giftig hvis innånding eller svelging og kan forårsake øyeirritasjon. Ved kort eksponering eller lav forurensning, bruke en åndedretts filter enhet. Bruk en selvstendig ÅNDEDRETTSBESKYTTELSE ved intensiv eller lengre eksponering. Bruk hansker. Hanskematerialet må være ugjennomtrengelig og bestandig overfor UFo og løsninger. Bruk Tettsittende vernebrille.
  2. Glød-utslipp karbon/formvar-belagt TEM rutenett for 6 s bare før bruk for å øke hydrophilicity og markedsføre stikker av strukturer. Pipetter 5 µL eksempel dråper på TEM rutenettet ruge i 5-8 min og fjerne miste ved å forsiktig trykke et filter papir med kanten av rutenettet.
  3. Pipetter en stor (~ 20 µL) og en liten (~ 10 µL) dråpe flekken løsningen på en parafilm. Sette rutenettet på liten flekk løsning miste og tørr umiddelbart ved å berøre filter papir med kanten av rutenettet. Deretter satte den på stor flekk løsning rullegardinlisten for 30 s.
  4. Fjern væsken på risten ved å berøre filter papir med kanten av rutenettet. Sted rutenettet i rutenett abonnenten. Vente på nettet for å tørke i minst 10 min.
  5. Karakterisere prøvene origami (Figur 4), AuNRs (figur 5) og origami-AuNRs (figur 6) av TEM.

8. sirkulære dichroism måling

  1. Tøm CD spectrometer med N2 for 20 min.
    Merk: De fleste spektrometre CD krever purging med N2 før lampe tenning. Sjekk CD spectrometer manualen.
  2. Angi båndbredde, skanning utvalg og oppkjøp trinn.
    Merk: Området skanning, avhenger av den optiske egenskapene av AuNRs, som avhenger av størrelsen på AuNRs.
  3. Mål tom CD med buffer.
  4. Måle CD spektra av origami-AuNR prøver (figur 7).
    Merk: Bruk quarts eller glass cuvettes for CD-måling. Plast cuvettes er uegnet for CD spektroskopi. Også tillate de fleste spektrometre CD samtidig oppkjøpet av absorpsjon og CD-data.

Representative Results

TEM bilder av DNA origami maler, AuNRs og siste origami-AuNR samlinger er vist i Figur 4, figur 5og figur 6A, henholdsvis. På grunn av deres bindende preferanse til TEM rister, er origami-AuNR samlinger vanligvis sett på som parallell origami bunter og stenger (figur 6en). Termisk annealing er nødvendig for riktig justering av AuNRs på origami maler (figur 6A, B). Protokollen gjør at høy avkastning av AuNRs i chiral metamolecules med sterk plasmonic CD svar (figur 7).

Temperatur (° C) Tid
80 15 min
79 - 71 1 ° C/1 min
70 - 66 1 ° C/5 min
65 - 60 1 ° C/30 min
59 - 37 1 ° C/60 min
36 - 30 1 ° C/15 min
29 - 20 1 ° C/5 min
20 Hold

Tabell 1: Temperaturer og priser for termisk annealing DNA origami maler.

Temperatur (° C) Tid (min)
40 130
36 180
32 180
22 Hold

Tabell 2: temperaturer og holdt ganger for avspenning med AuNRs og DNA origami maler. Kjøling hastigheten mellom trinnene er satt til 0,1 ° C/min. Origami-AuNR DNA-prøvene er herdet mens riste på 400 rpm.

Figure 1
Figur 1 : Utformingen av DNA origami mal chiral metamolecules. (A) identifisere ønsket relative romlige ordningen av gull nanorods (AuNRs) og en passende form av malen DNA origami. (B) anslår strukturelle parametre for AuNRs (DAuNR, L-AuNR) og origami malen (Worigami, Lorigami, Θ). Finn omtrentlige plasseringen av stiftene som krever videre modifikasjon. (C) Design av DNA origami maler med caDNAno. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Agarose gel geleelektroforese av origami. (A) rensing med 1% agarose gel geleelektroforese 2 h på 80 V. (B) karakterisering med 2% agarose gel geleelektroforese 4 h på 80 V. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Agarose gel geleelektroforese rensing av origami-AuNRs. Gel (0,7%) ble kjørt 3,5 h på 80 V for prøver forberedt fremgangsmåten montering med forskjellige DNA-AuNR-til-origami forhold (20:1, 5:1) og eksempler (10:1 DNA-AuNRs-til-origami ratio) med/uten annealing prosedyren. Hvis TEM bilder av eksemplene i band 1 se 2 og 3, figur 6. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Representant TEM bilde av DNA origami malene. Origami strukturen består av to 14-helix bunter (80 nm x 16 nm x 8 nm) knyttet sammen av stillaset strand. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : Representant TEM bildet av AuNRs. Gjennomsnittlig syntetisk AuNRs er 70 x 30 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6 : TEM bilder av origami-AuNR samlinger. (A) AuNR dimers på origami etter annealing (band 1 i Figur 3). (B) AuNR dimers på origami uten annealing (band 2 i Figur 3). (C) Origami-AuNR samler (band 3 i Figur 3). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7 : CD spektra av origami-AuNR samlingene. CD spektra av lukkede strukturer (origami malene lovbunden lås tråder i en høyrehendt konfigurasjon, 50 ° mellom to origami pakker) og åpne strukturen (origami maler uten lås tråder). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Protokollen lanserer hele arbeidsflyten design, montering, rensing og karakterisering av DNA origami-baserte chiral samlinger av AuNRs. DNA origami malene i protokollen er spesielt egnet for fabrikasjon av stimuli-responsive samlinger. Ulike typer svar og functionalizes kan bli innlemmet i lås tråder som definerer chiral delstaten origami mal (figur 1B)24,25,26,31. For statisk samlinger er enklere blokkformet maler ofte tilstrekkelig14,45,46,47.

DNA origami-basert tilnærming til fabrikasjon av plasmonic nanostructure arver begrensninger av DNA origami teknikk48. Størrelsen på origami malene er vanligvis begrenset av størrelsen på stillaset strand. Stabiliteten av DNA-strukturer reduseres under loven-salt forhold. Kostnaden for syntetiske stift tråder fortsatt ganske høyt. Men er siste utviklingen innen strukturelle DNA nanoteknologi forventet å overvinne disse begrensningene49,50,51,52,53,54 , 55.

Sammenlignet med andre molekylær-baserte tilnærminger for å generere chiral samlinger på AuNRs34,35,36,37, gir DNA origami høy romlig presisjon og programmering.

For å oppnå pålitelige og reproduserbar optisk svar av chiral samlinger, anbefaler vi sterkt å tilpasse protokollene for AuNR syntese40, siden kvaliteten og optiske egenskaper av kommersielle produkter kan variere mellom bunker. Ekstra annealing (trinn 6.2) er ofte avgjørende for å sikre korrekt feste AuNRs DNA origami maler (figur 6).

Til slutt, protokollen beskrevet her er ikke begrenset til chiral samlinger. DNA origami gir en svært fleksibel plattform for fabrikasjon av komplekse plasmonic nanostrukturer9,10.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne takker S. Voutilainen for henne hjelp med CD spectrometer. Forfatterne bekrefter fasiliteter og teknisk støtte av Aalto Universitetet i OtaNano - Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC). Dette arbeidet ble støttet av for Finlands akademi (grant 308992) og EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Marie Skłodowska-Curie gi avtalen nr. 71364.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2,6-Dihydroxybenzoic acid Sigma-Aldrich D109606-25 98+%
AgNO3 Alfa Aesar AA1141414 99.90%
Blue light transilluminator  Nippon Genetics FG-06 FastGene LED Transilluminator
Bromophenol Blue Acros Organics 403160050 For agarorose gel  loading buffer
Centrifugal filter units Merck Millipore 42600 DNA extraction from agarose
Chirascan CD spectrometer  Applied Photophysics
Cuvette  Hellma  105-202-85-40 Quartz SUPRASIL
DNA lobind tubes Eppendorf 30108051
Eppendorf Biospectrometer  Eppendorf 6135000904
Eppendorf ThermoMixer C Eppendorf 5382000015
Ficoll 400 Thermo Fisher Scientific  BP525-10 Polysucrose 400 (For agarorose gel  loading buffer)
Gel electrophoresis sets Thermo Fisher Scientific
Gel imager Bio-Rad Gel Doc XR+ System 
HAuCl4•3H2O Alfa Aesar AA3640006 99.99%
HCl  Scharlau AC07441000 1M
Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB) Sigma-Aldrich H9151-100 BioXtra, 98+%
L(+)-ascorbic acid Acros Organics 401471000 99+%
M13p7560 scaffold strand Tilibit nanosystems
MgCl2•6H2O Sigma-Aldrich M2670-500 BioXtra, 99+%
NaBH4 Acros Organics 200050250 99%
NaCl Sigma-Aldrich S7653-500 BioXtra, 99.5+%
NaOH Sigma-Aldrich S8045-500 BioXtra, 98+%
Parafilm Sigma-Aldrich P7668-1EA PARAFILM M
PBS buffer (10X) Thermo Fisher Scientific BP3991 Molecular Biology
ProFlex PCR System Thermo Fisher Scientific 4484073
Sodium dodecyl sulfate (SDS) Sigma-Aldrich 74255-250 99+%
Staple strands Thermo Fisher Scientific
Sybr Safe Invitrogen  S33102 For DNA stain
TBE buffer (10X) Invitrogen 15581-044 Molecular Biology
TE buffer (10X) Thermo Fisher Scientific BP24771 Molecular Biology
TEM FEI FEI Tecnai F12
Thiol-functionalized  ssDNA  Biomers.net
Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP-HCl) Thermo Fisher Scientific PI20491
UltraPure Agarose Invitrogen  16500-100
Ultrapure water (Type 1) Milli-Q Direct 8 system
Uranyl Formate Tebu-bio 24762-1
White light transilluminator UVP TW-26

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
  2. Wang, P., Meyer, T. A., Pan, V., Dutta, P. K., Ke, Y. The Beauty and Utility of DNA Origami. Chem. 2, 359-382 (2017).
  3. Hong, F., Zhang, F., Liu, Y., Yan, H. DNA Origami: Scaffolds for Creating Higher Order Structures. Chemical Reviews. 117, 12584-12640 (2017).
  4. Roller, E. -M., Argyropoulos, C., Högele, A., Liedl, T., Pilo-Pais, M. Plasmon-Exciton Coupling Using DNA Templates. Nano Letters. 16, 5962-5966 (2016).
  5. Acuna, G. P., et al. Fluorescence Enhancement at Docking Sites of DNA-Directed Self-Assembled Nanoantennas. Science. 338, 506-510 (2012).
  6. Roller, E. -M., et al. DNA-Assembled Nanoparticle Rings Exhibit Electric and Magnetic Resonances at Visible Frequencies. Nano Letters. 15, 1368-1373 (2015).
  7. Liu, Q., Song, C., Wang, Z. -G., Li, N., Ding, B. Precise organization of metal nanoparticles on DNA origami template. Methods. 67, 205-214 (2014).
  8. Roller, E. -M., et al. Hotspot-mediated non-dissipative and ultrafast plasmon passage. Nature Physics. 13, 761-765 (2017).
  9. Liu, N., Liedl, T. DNA-Assembled Advanced Plasmonic Architectures. Chemical Reviews. 118, 3032-3053 (2018).
  10. Kuzyk, A., Jungmann, R., Acuna, G. P., Liu, N. DNA Origami Route for Nanophotonics. ACS Photonics. 5, 1151-1163 (2018).
  11. Kuzyk, A., et al. DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response. Nature. 483, 311-314 (2012).
  12. Shen, X., et al. Three-Dimensional Plasmonic Chiral Tetramers Assembled by DNA Origami. Nano Letters. 13, 2128-2133 (2013).
  13. Liu, H., Shen, X., Wang, Z. -G., Kuzyk, A., Ding, B. Helical nanostructures based on DNA self-assembly. Nanoscale. 6, 9331-9338 (2014).
  14. Shen, X., et al. 3D plasmonic chiral colloids. Nanoscale. 6, 2077-2081 (2014).
  15. Urban, M. J., et al. Plasmonic Toroidal Metamolecules Assembled by DNA Origami. Journal of the American Chemical Society. 138, 5495-5498 (2016).
  16. Hentschel, M., Schäferling, M., Duan, X., Giessen, H., Liu, N. Chiral plasmonics. Science Advances. 3, 1602735 (2017).
  17. Cecconello, A., Besteiro, L. V., Govorov, A. O., Willner, I. Chiroplasmonic DNA-based nanostructures. Nature Reviews Materials. 2, 17039 (2017).
  18. Lan, X., Wang, Q. Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures. Advanced Materials. 28, 10499-10507 (2016).
  19. Shen, C., et al. Spiral Patterning of Au Nanoparticles on Au Nanorod Surface to Form Chiral AuNR@AuNP Helical Superstructures Templated by DNA Origami. Advanced Materials. 29, 1606533 (2017).
  20. Zhou, C., Duan, X., Liu, N. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami. Nature Communications. 6, 8102 (2015).
  21. Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37, 5001-5006 (2009).
  22. Kim, D. -N., Kilchherr, F., Dietz, H., Bathe, M. Quantitative prediction of 3D solution shape and flexibility of nucleic acid nanostructures. Nucleic Acids Research. 40, 2862-2868 (2012).
  23. Maffeo, C., Yoo, J., Aksimentiev, A. De novo reconstruction of DNA origami structures through atomistic molecular dynamics simulation. Nucleic Acids Research. 44, 3013-3019 (2016).
  24. Kuzyk, A., et al. Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules. Nature Materials. 13, 862-866 (2014).
  25. Kuzyk, A., et al. A light-driven three-dimensional plasmonic nanosystem that translates molecular motion into reversible chiroptical function. Nature Communications. 7, 10591 (2016).
  26. Kuzyk, A., Urban, M. J., Idili, A., Ricci, F., Liu, N. Selective control of reconfigurable chiral plasmonic metamolecules. Science Advances. 3, 1602803 (2017).
  27. Gerling, T., Wagenbauer, K. F., Neuner, A. M., Dietz, H. Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non-base pairing 3D components. Science. 347, 1446-1452 (2015).
  28. Zhou, C., Duan, X., Liu, N. DNA-Nanotechnology-Enabled Chiral Plasmonics: From Static to Dynamic. Accounts of Chemical Research. 50, 2906-2914 (2017).
  29. Ijäs, H., et al. Dynamic DNA Origami Devices: from Strand-Displacement Reactions to External-Stimuli Responsive Systems. International Journal of Molecular Sciences. 19, 2114 (2018).
  30. Lan, X., et al. DNA-Guided Plasmonic Helix with Switchable Chirality. Journal of the American Chemical Society. 140, 11763-11770 (2018).
  31. Funck, T., Nicoli, F., Kuzyk, A., Liedl, T. Sensing Picomolar Concentrations of RNA Using Switchable Plasmonic Chirality. Angewandte Chemie International Edition. 57, 13495-13498 (2018).
  32. Zhou, C., Xin, L., Duan, X., Urban, M. J., Liu, N. Dynamic Plasmonic System That Responds to Thermal and Aptamer-Target Regulations. Nano Letters. 18, 7395-7399 (2018).
  33. Zhan, P., et al. Reconfigurable Three-Dimensional Gold Nanorod Plasmonic Nanostructures Organized on DNA Origami Tripod. ACS Nano. 11, 1172-1179 (2017).
  34. Ma, W., et al. Attomolar DNA detection with chiral nanorod assemblies. Nature Communications. 4, 2689 (2013).
  35. Ma, W., et al. Chiral plasmonics of self-assembled nanorod dimers. Scientific Reports. 3, 1934 (2013).
  36. Guerrero-Martínez, A., et al. Intense Optical Activity from Three-Dimensional Chiral Ordering of Plasmonic Nanoantennas. Angewandte Chemie International Edition. 50, 5499-5503 (2011).
  37. Kumar, J., et al. Detection of amyloid fibrils in Parkinson's disease using plasmonic chirality. Proceedings of the National Academy of Sciences. 115, 3225-3230 (2018).
  38. Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions. Angewandte Chemie International Edition. 53, 12735-12740 (2014).
  39. Shaw, A., Benson, E., Högberg, B. Purification of Functionalized DNA Origami Nanostructures. ACS Nano. 9, 4968-4975 (2015).
  40. Ye, X., et al. Improved Size-Tunable Synthesis of Monodisperse Gold Nanorods through the Use of Aromatic Additives. ACS Nano. 6, 2804-2817 (2012).
  41. Near, R. D., Hayden, S. C., Hunter, R. E., Thackston, D., El-Sayed, M. A. Rapid and Efficient Prediction of Optical Extinction Coefficients for Gold Nanospheres and Gold Nanorods. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 23950-23955 (2013).
  42. Shi, D., Song, C., Jiang, Q., Wang, Z. -G., Ding, B. A facile and efficient method to modify gold nanorods with thiolated DNA at a low pH value. Chemical Communications. 49, 2533-2535 (2013).
  43. Gür, F. N., Schwarz, F. W., Ye, J., Diez, S., Schmidt, T. L. Toward Self-Assembled Plasmonic Devices: High-Yield Arrangement of Gold Nanoparticles on DNA Origami Templates. ACS Nano. 10, 5374-5382 (2016).
  44. Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Methods. 8, 221-229 (2011).
  45. Lan, X., et al. Bifacial DNA Origami-Directed Discrete, Three-Dimensional, Anisotropic Plasmonic Nanoarchitectures with Tailored Optical Chirality. Journal of the American Chemical Society. 135, 11441-11444 (2013).
  46. Lan, X., et al. Au Nanorod Helical Superstructures with Designed Chirality. Journal of the American Chemical Society. 137, 457-462 (2015).
  47. Zhu, C., Wang, M., Dong, J., Zhou, C., Wang, Q. Modular Assembly of Plasmonic Nanoparticles Assisted by DNA Origami. Langmuir. , (2018).
  48. Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology. Nature Nanotechnology. 6, 763-772 (2011).
  49. Ducani, C., Kaul, C., Moche, M., Shih, W. M., Högberg, B. Enzymatic production of 'monoclonal stoichiometric' single-stranded DNA oligonucleotides. Nature Methods. 10, 647-652 (2013).
  50. Praetorius, F., et al. Biotechnological mass production of DNA origami. Nature. 552, 84-87 (2017).
  51. Wagenbauer, K. F., Sigl, C., Dietz, H. Gigadalton-scale shape-programmable DNA assemblies. Nature. 552, 78-83 (2017).
  52. Zhang, T., et al. 3D DNA Origami Crystals. Advanced Materials. 30, 1800273 (2018).
  53. Ong, L. L., et al. Programmable self-assembly of three-dimensional nanostructures from 10,000 unique components. Nature. 552, 72-77 (2017).
  54. Ponnuswamy, N., et al. Oligolysine-based coating protects DNA nanostructures from low-salt denaturation and nuclease degradation. Nature Communications. 8, 15654 (2017).
  55. Agarwal, N. P., Matthies, M., Gür, F. N., Osada, K., Schmidt, T. L. Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami. Angewandte Chemie International Edition. 56, 5460-5464 (2017).

Tags

Kjemi problemet 145 DNA nanoteknologi gull nanorods DNA origami selv-montering chiral plasmonics sirkulære dichroism
Montering av gull Nanorods i Chiral Plasmonic Metamolecules ved hjelp av DNA Origami maler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Huang, Y., Nguyen, M. K., Kuzyk, A.… More

Huang, Y., Nguyen, M. K., Kuzyk, A. Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates. J. Vis. Exp. (145), e59280, doi:10.3791/59280 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter