Vi beskriver detaljerede protokollen til DNA origami-baserede samling af guld nanorods i chiral plasmonic metamolecules med stærk chiroptical svar. Protokollen er ikke begrænset til chiral konfigurationer og nemt kan tilpasses fremstilling af forskellige plasmonic arkitekturer.
Den iboende adresserbarhed DNA origami strukturer gør dem ideelle skabeloner til arrangement af metal nanopartikler i komplekse plasmonic nanostrukturer. Høj rumlige præcisionen af et DNA origami-skabelonbaserede forsamling giver mulighed for kontrol kobling mellem plasmonic resonanser individuelle partiklers og muliggør skræddersy optiske egenskaber af den beregnede nanostrukturer. For nylig, chiral plasmonic systemer tiltrak en masse opmærksomhed på grund af den stærke sammenhæng mellem rumlige konfigurationen af plasmonic forsamlinger og deres optiske svar (f.eks. cirkulære dichroism [CD]). I denne protokol beskriver vi hele arbejdsprocessen for generation af DNA origami-baserede chiral forsamlinger af guld nanorods (AuNRs). Protokollen indeholder en detaljeret beskrivelse af de designprincipper og eksperimentelle procedurer for fabrikation af DNA origami skabeloner, syntesen af AuNRs og samling af origami-AuNR strukturer. Derudover er karakterisering af strukturer ved hjælp af transmissions elektronmikroskopi (TEM) og CD spektroskopi inkluderet. Den beskrevne protokol er ikke begrænset til chiral konfigurationer og kan tilpasses til opførelse af forskellige plasmonic arkitekturer.
DNA nanostrukturer, DNA origami især har været udbredt at arrangere molekyler og andre nanoskala komponenter (fx proteiner og nanopartikler [NPs]), med nanometer præcision i næsten vilkårlige geometrier1,2 , 3 , 4 , 5. evnen til at arrangere metal NPs på DNA origami skabeloner med et højt udbytte og nøjagtighed giver mulighed for fabrikation af plasmonic strukturer med romanen optiske egenskaber6,7,8, 9 , 10. DNA origami teknik er især nyttigt for generation af chiral plasmonic strukturer, som kræver ægte tre-dimensionelle arkitekturer11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.
Denne protokol beskriver i detaljer hele processen med fremstilling af DNA origami-skabelonbaserede chiral forsamlinger af AuNRs. Softwaren anvendes til design21 og struktur forudsigelse22,23 af DNA origami er intuitiv og frit tilgængelige. Origami fabrikation og AuNR syntese bruge fælles biokemi lab udstyr (f.eks. termocyklere, gelelektroforese, kogeplader, centrifuger). Strukturerne, der er karakteriseret ved hjælp af standard TEM og CD spektroskopi.
Fabrikation af lignende plasmonic nanostrukturer med top-down metoder (fx elektron beam litografi) ville kræve temmelig kompliceret og dyrt udstyr. Derudover giver DNA origami skabeloner mulighed for at indarbejde strukturelle rekonfigurerbarhed i plasmonic assemblies24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, som er ekstremt udfordrende for strukturer fabrikeret med litografi teknikker. Sammenlignet med andre Molekylær-baserede tilgange34,35,36,37, giver DNA origami-baserede fabrikation en høj grad af rumlig nøjagtighed og programmering.
Protokollen introducerer den hele arbejdsproces af design, forsamling, oprensning og karakterisering af DNA origami-baserede chiral forsamlinger af AuNRs. DNA origami skabeloner anvendes i protokollen er særligt velegnede til fabrikation af stimuli-responderende forsamlinger. Forskellige typer af svar og functionalizes kan indarbejdes i lock delområder, der definerer den chiral tilstand af origami skabelon (figur 1B)24,25,26,31. For statiske forsamlinger er enklere blok-formet skabeloner ofte tilstrækkelig14,45,46,47.
DNA origami-baseret tilgang til fabrikation af plasmonic nanostrukturer arver begrænsninger af DNA origami teknik48. Størrelsen af origami skabelonerne er typisk begrænset af størrelsen af stillads strand. Stabiliteten af DNA strukturer er reduceret lov-salt betingelser. Omkostninger af syntetiske korte tråde er stadig temmelig højt. Den seneste udvikling i feltet af strukturelle DNA nanotechnology forventes imidlertid at overvinde disse begrænsninger49,50,51,52,53,54 , 55.
Sammenlignet med andre Molekylær-baserede tilgange til at generere chiral forsamlinger af AuNRs34,35,36,37, giver DNA origami en høj grad af rumlig nøjagtighed og programmering.
For at opnå pålidelig og reproducerbar optisk svar af chiral forsamlinger, anbefaler vi kraftigt, tilpasse protokollerne til AuNR syntese40, da kvalitet og optiske egenskaber af kommercielle produkter kan variere mellem partier. Yderligere udglødning (trin 6.2) er ofte afgørende for at sikre den korrekte fastgørelse af AuNRs DNA origami skabeloner (figur 6).
Endelig, den protokol, der er beskrevet her er ikke begrænset til chiral forsamlinger. DNA origami er en meget fleksibel platform for fabrikation af komplekse plasmonic nanostrukturer9,10.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takke S. Voutilainen for hendes hjælp med CD spektrometer. Forfatterne anerkender udbud af faciliteter og tekniske support af Aalto University i OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC). Dette arbejde blev støttet af Finlands Akademi (grant 308992) og EUs Horisont 2020 forskning og innovation program under Marie Skłodowska-Curie tilskudsaftale No. 71364.
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 |