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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |