Vi beskriver det detaljerade protokollet för DNA origami-baserade sammansättning av guld nanorör till kirala plasmoniska metamolecules med starka chiroptical svar. Protokollet är inte begränsat till kirala konfigurationer och kan enkelt anpassas för tillverkning av olika plasmoniska arkitekturer.
Den inneboende adressering av DNA origami strukturer gör dem idealiska mallar för arrangemanget av metall nanopartiklar i komplexa plasmoniska nanostrukturer. Den höga rumsliga precisionen en origami-mallade DNA-församling tillåter kontroll av kopplingen mellan plasmoniska resonanser av enskilda partiklar och skräddarsy optiska egenskaper av den konstruerade nanostrukturer. Nyligen, kirala plasmoniska system väckte stor uppmärksamhet på grund av det starka sambandet mellan den rumsliga konfigurationen av plasmoniska sammansättningar och deras optiska svar (t.ex. cirkulärdichroism [CD]). I detta protokoll beskriver vi hela arbetsflödet för generering av DNA origami-baserade kirala sammansättningar av guld nanorör (AuNRs). Protokollet innehåller en detaljerad beskrivning av designprinciperna och de experimentella rutiner för tillverkning av DNA origami mallar, syntesen av AuNRs och montering av origami-AuNR strukturer. Dessutom ingår karakterisering av strukturer som använder transmissionselektronmikroskopi (TEM) och CD-spektroskopi. Protokollet beskrivs är inte begränsat till kirala konfigurationer och kan anpassas för byggandet av olika plasmoniska arkitekturer.
Nanostrukturer i DNA, DNA-origami i synnerhet har använts att ordna molekyler och andra nanoskala komponenter (t.ex. proteiner och nanopartiklar [NPs]), med nanometer precision in nästan godtyckliga geometrier1,2 , 3 , 4 , 5. förmåga att ordna metall NPs på DNA origami mallar med hög kapacitet och noggrannhet möjliggör tillverkning av plasmoniska strukturer med romanen optiska egenskaper6,7,8, 9 , 10. DNA-origami teknik är särskilt användbart för generering av kirala plasmoniska strukturer som kräver verkligt tredimensionella arkitekturer11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.
Det här protokollet beskriver i detalj hela processen för tillverkning av DNA origami-mallade kirala sammansättningar av AuNRs. Programvaran används för design21 och struktur förutsägelse22,23 i DNA-origami är intuitivt och fritt tillgängliga. Den origami fabrication och AuNR syntes använder gemensamma biokemi labbutrustning (t.ex. thermocyclers, gelelektrofores, värmeplattor, centrifuger). Strukturer karakteriseras med hjälp av standard TEM och CD-spektroskopi.
Tillverkning av liknande plasmoniska nanostrukturer med top-down metoder (t.ex. electron beam lithography) skulle kräva ganska komplicerad och dyr utrustning. Dessutom tillhandahålla DNA origami mallar möjligheten att införliva strukturella omkonfigurerbarheten i plasmoniska församlingar24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, vilket är extremt utmanande för strukturer som fabricerade med litografi tekniker. Jämfört med andra molekylär-baserade metoder34,35,36,37, ger DNA origami-baserade tillverkning hög rumsliga precision och programmering.
Protokollet införs hela arbetsflödet för konstruktion, montering, rening och karakterisering av DNA origami-baserade kirala sammansättningar av AuNRs. De DNA-origami mallar som används i protokollet är särskilt lämpade för tillverkning av stimuli-lyhörd församlingar. Olika typer av svar och functionalizes kan införlivas i de låsa trådar som definierar den kirala delstaten origami mall (figur 1B)24,25,26,31. För statiska församlingar är enklare block-formade mallar ofta tillräcklig14,45,46,47.
DNA-origami-baserade metoden för tillverkning av plasmoniska nanostruktur ärver begränsningar av DNA origami teknik48. Storleken av origami mallarna är vanligtvis begränsad av storleken på byggnadsställning strand. Stabiliteten i DNA strukturer minskas under lag-salta förhållanden. Kostnaden för syntetiska stapelvara strandar förblir ganska hög. Senaste utvecklingen inom fältet för strukturella DNA nanoteknik väntas dock att övervinna dessa begränsningar49,50,51,52,53,54 , 55.
DNA-origami jämfört med andra molekylär-baserade metoder för att generera kirala församlingar i AuNRs34,35,36,37, och ger en hög nivå av rumsliga precision och programmering.
För att nå tillförlitliga och reproducerbara optiska Svaren av kirala församlingar, rekommenderar vi att du anpassar protokollen för AuNR syntes40, eftersom kvaliteten och optiska egenskaper av kommersiella produkter kan variera mellan partier. Ytterligare glödgning (steg 6,2) är ofta avgörande för att säkerställa rätt fastsättning av AuNRs till DNA-origami mallar (figur 6).
Slutligen, i protokollet som beskrivs här är inte begränsat till kirala församlingar. DNA-origami ger en mycket flexibel plattform för tillverkning av komplexa plasmoniska nanostrukturer9,10.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka S. Voutilainen för hennes hjälp med CD spektrometer. Författarna erkänner tillhandahållande av faciliteter och teknisk support av Aalto-universitetet på OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC). Detta arbete stöds av Finlands Akademi (grant 308992) och Europeiska unionens programmet Horisont 2020 forskning och innovation under Marie Skłodowska-Curie bidragsöverenskommelsen nr 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 |