DNA Origami bir Bio-duyarlı Robot Tasarımı

Bu prosedürün genel amacı, CAD nano yazılımını kullanarak DNA origamisinden robotik bir cihaz tasarlamaktır. Bu işlem, öncelikle CAD nano'nun kurulması ve robotun genel şeklini taslaklandırmak için kullanılmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım ise scaffold zincirinin yolunun tasarlanmasıdır.

Ardından, stapler dizileri eklenir ve düzenlenir. Son adım ise faydalı yük, ekleme bölgeleri ve geçitler dahil olmak üzere kontrol özelliklerinin belirlenmesidir. Nihayetinde, montaj öncesinde sipariş edilmek üzere bir DNA parçaları listesi oluşturulur.

Bu tekniğin temel avantajı, çeşitli uygulamalar için DNA origamisi nesnelerinin tasarımını basitleştirmesi ve standardize etmesidir. Prosedürü, laboratuvarımda DNA origamisi robotlarının dinamiği üzerine çalışan doktora sonrası araştırmacı Alad Bei gerçekleştirecektir. Bu prosedüre başlamak için CAD nano two ve Autodesk Maya 2012'yi indirip kurun.

http://cadnano.org adresindeki talimatlara göre, Maya içindeki CAD nano tasarım arayüzü üç panelden oluşur. Üst panel, şeklin başlangıçta ana hatlarının belirlendiği kafes görünümüdür.

Bu panel, çift sarmal düzeyinde işlemlere olanak tanır ve şeklin bir kesit görünümünü sağlar. Alt panel, tek baz düzeyinde işlemleri mümkün kılan düzenleme panelidir. Sağ panel ise şeklin Maya tarafından oluşturulmuş gerçek zamanlı 3D modelidir.

Kafes yapısına yakınlaşmak ve uzaklaşmak için petek simgesine tıklayın. Üst panelde bu işlem fare ile yapılabilir. Sırasıyla yukarı ve aşağı kaydırın.

Başlamak için, sol panelde istenen şeklin kesitini çizin. Her daire çift bir DN'yi temsil eder; şekli oluşturan heliksleri seçmek için helikslerin merkezine sol tıklayın. Tüm şeklin ana hatları belirlenene kadar heliks heliks ilerleyin.

Alternatif olarak, sol fare düğmesine basılı tutarak şeklin ana hattı sürekli olarak çizilebilir. Alt panele dikkat edin. Her bir heliks, iki sıra kareden oluşmaktadır.

Satırlar, çift sarmalın iki zincirini temsil eder. Her bir kare bir bazı temsil ederken, turuncu dikey çubuk düzenleme işlemlerinin sarmal boyunca nerede gerçekleşeceğini belirler. Izgara üzerindeki baz konumu, turuncu çubuğun üzerindeki bir sayı olarak görünür.

Heliks iskeletinin varsayılan uzunluğu 42 bazdır. Düzenleme panelinin sağ üst köşesindeki gri ok simgelerinden birine tıklayıp uzatma uzunluğunu seçerek uzunluk artırılabilir. Şekil boyunca gerçek iskele zinciri yolunu çizmek için fare düğmesine basın.

İlk heliksten başlayın ve başlangıçta seçilen sırayı takip ederek tüm heliksler üzerinden kesintisiz bir şekilde ilerleyin. İskele yolunun en solundaki tüm kenarların etrafına bir dikdörtgen çizin. Seçili kenarları bir grup olarak ızgaranın sol tarafına sürükleyerek iskele yolunu uzatın.

Yol uygun şekilde uzatılana kadar bu işlemi tekrarlayıp yazılı metinde açıklandığı gibi köprü simgelerini belirledikten sonra, çaprazlamalar oluşturmaya hazırlanın. Seçtiğiniz köprü simgesine sol tıklayın. Bir iskele çaprazlaması oluşturulacaktır; bu, iskelenin bu noktada heliksten helikse geçtiği anlamına gelir.

İskele tüm sarmalları kat edene kadar bu işlemi tekrarlayın ve şeklin geri kalanından izole edilmiş hiçbir bölge bırakmadan, tüm şekli kapsayan kapalı bir döngü oluşturun. Tanımlanan robot, yükünü açığa çıkarmak için belirlenmiş bir biyolojik girişe yanıt olarak açılır. Açılma işlemi, iki yarının iki eksen etrafında döndüğü, bir kabuk benzeri biçimde gerçekleşir.

Eksenler, 29 ile 30 ve 61 ile sıfır arasındaki çapraz geçişlerle oluşturulur; bunlar bu yarılar arasındaki tek çapraz geçişlerdir ve yalnızca ızgaranın sol kenarında veya sol kenarına yakın konumlandırılmışlardır. Sağ kenar, yürüyüş zincirlerini içerecektir. 29 ve 30 helisleri arasındaki mevcut çapraz geçişi silin.

Çaprazlamayı silmek için herhangi bir zincirdeki diz noktasına tıklayın. Bu işlem, çaprazlamanın bulunduğu her iki zincirde de bir çentik bırakır. Çentikleri birleştirmek için shift tuşuna basılı tutarak her bir çentiğe tıklayın ve 29 ile 30 numaralı helisler arasında, ızgaranın sol kenarına mümkün olduğunca yakın yeni bir çaprazlama oluşturun.

Ardından, 61. ve sıfırıncı helisler arasında, ızgaranın sol kenarına mümkün olduğunca yakın yeni bir çaprazlama oluşturun ve robotun iç tarafına bakan dört adet yükleme alanı tanımlayın. Yükleme alanları 3 27, 34 ve 58. helislerden dallanacaktır. Üst paneldeki her bir alan için, bu helislere bitişik olan ve iç tarafa bakan helise tıklayın.

Bu işlem, heliksleri alt paneldeki ızgaraya ekleyecektir. Staple'ları eklemek ve düzenlemek için bu katmanlara henüz ikinci kez tıklamayın. Öncelikle otomatik staple (auto staple) seçeneğine tıklayın.

Yazılım, otomatik olarak çeşitli renklerde zımba dizileri ekleyecektir. Sağ paneldeki 3D şekle zımbaların eklendiğine dikkat edin. Zımba renkleri, alt ve sağ paneller için tutarlıdır.

Ek olarak, arayüzün sol alt köşesinde, zımbaların otomatik olarak düzenlenebilmesi için çok uzun, çok kısa veya dairesel olmaması gerektiğini belirten bir gösterge bulunmaktadır. Bu kriterleri karşılamak için "auto break" seçeneğine tıklayın; bu işlem için kullanıcı tanımlı parametrelerin istendiği bir diyalog kutusu açılacaktır, varsayılan parametreleri kullanın ve "okay" düğmesine tıklayın. Yazılım, zımbaları bu parametrelere göre elinden geldiğince bölecektir.

Bu helislerin ayrılmasını ve robotun açılmasını sağlamak için helis 29 ile 30 ve 61 ile sıfır arasındaki tüm zımba çapraz bağlarını silin. Zımba çapraz bağlarının silinmesi, bu işlem sonucunda çok kısa hale gelen veya mantıksızlaşan zımbaları düzeltmek için bazı manuel düzenlemeler gerektirecektir. Bunu düzgün bir şekilde yapmak için metin protokolündeki talimatları izleyin; shift tuşuna basarak ve Helis 29 üzerindeki iki zımba arasındaki çentiğe tıklayarak dikişi gerçekleştirin.

Benzer şekilde, Strand 30 üzerindeki üç zımba da tek bir zımba gibi görünmektedir; zımbalar, bir kenara tıklayıp istendiği gibi sürükleyerek manuel olarak uzatılabilir veya kısaltılabilir. Hiçbir zımbanın daireselleşmemesine dikkat edin. Bu işlemi HELOCs 0 ve 61 için tekrarlayın ve her helisteki tüm zımbaları manuel olarak düzenleyin.

Kalın bir çizgiyle belirtilmiş, yani daha fazla düzenleme gerektiren zımbaları bulun. Her birini inceleyin ve gerekirse düzeltin. Örneğin, çok kısa olan zımbalar silinebilir veya mümkünse uzatılabilir.

İkinci olarak, üst paneldeki yükleme bölgesi sarmallarına tıklayın ve alt panelde oluşan iskele zinciri fragmanlarını, bir kenara tıklayıp istediğiniz şekilde sürükleyerek uzatın. Sol paneldeki kılavuz sarmalların üzerinde shift tuşuna basılı tutarak tıklayıp turuncu dikey çubuğu iskele boyunca istenen konuma yerleştirerek bu iskele fragmanlarına manuel olarak zımbalar ekleyin. Bu işlem, her sarmal konumuna bir zımba öncüsü ekleyecektir.

Tıpkı diğerleri gibi, destek öncüllerini de tam uzunluğa uzatın. Tıklayıp sürükleyerek, kılavuz zincir ile şasi arasındaki belirgin çaprazlama noktalarını belirten kırmızı köprü simgelerini bulun. Bir çaprazlama eklemek için en uygun konumu seçin ve köprü simgesine tıklayın. Uygun bir konum, şasideki mevcut desteklerin minimum düzeyde düzenlenmesini gerektiren konumdur.

Kılavuz helis üzerindeki, yükleme bölgesinin parçası olmayan zımba kısmı silin ve katılan kısmı istenen uzunluğa kısaltın. İstenen uzunluk, hem farklı tipteki kargoların yüklenmesi için özgüllük hem de bağlanma gücü sağlamalıdır. Tipik olarak, 18 mer bir kuyruk yeterli olacaktır.

Zımbanın ince bir çizgiyle çekili kaldığından emin olun. Aksi takdirde, şasinin içine girene kadar düzenleyin. Değiştirilen zımbaları gerektiği şekilde düzenleyin.

Kılavuz diziyi silerek sadece zımba uzantısını bırakın. Yürüyüş dizilerini tasarlamak için bu adımları tüm yükleme bölgeleri için tekrarlayın. İlk olarak, yürüyüş dizileri için uygun konumları belirleyin.

Bunlar 29, 30, 61 ve sıfır numaralı helislerdeki zımba dizileri olacaktır. Örneğin, 29'dan 30'a giden geçit bölgesini inceleyin. Izgaranın sağ tarafında, 29 ve 30 numaralı helisleri çevreleyen ve kapı dizileri olarak kullanılabilecek uygun zımba dizileri bulunmaktadır.

Bunların zıt yönlere baktıklarına dikkat edin. Potansiyel gait dizgilerinden birinin kenarına tıklayarak onu şeklin dışına doğru uzatın. Eğer kenar bir iskele geçişinin (scaffold crossover) üzerindeyse, yalnızca zımba dizgilerin (staple) seçilebilir olduğundan emin olarak seçim işlemi kolaylaştırılabilir.

Arayüzün sağ üst köşesindeki seçilebilir araç çubuğunda bulunan scaf seçeneğini kapatarak, kapı zincirlerini oluşturmak için her iki zımba dizisini de uzatın. Zımba dizilerini düzenleyin. Eğer bu uzatma işlemi gerektiriyorsa, aynı işlemi sıfır ve 61 numaralı helislerin kapı zincirleri için de tekrarlayın.

İskele dizisini seçmek için arama aracına tıklayın. İmleci iskele zincirinin herhangi bir yerine yerleştirin ve tıklayın; iskele DNA kaynağını seçmenizi isteyen bir iletişim kutusu açılacaktır. İletişim kutusunda M 13 MP 18'e tıklayın. Seçilen DNA dizisinin alt paneldeki iskele ve zımba zincirlerine eklendiğini not edin.

Son olarak, üst araç çubuğundaki dışa aktar (export) düğmesine tıklayarak ve zımba listesi için bir hedef dosya adı seçerek zımba dizisini bir elektronik tablo olarak dışa aktarın. Kaydet'e tıklayın. Bu video, bir DNA origami nano robotunun tasarımı için adım adım bir süreci göstermiştir.

Şeklin enine kesiti önce burada ana hatlarıyla belirlenmiştir. Ana hatların belirlenmesini, iskele zincir fragmentlerinin otomatik düzenlemesi ve tüm iskele yolunun tamamlanması takip etmiştir. Burada, alt ve sağ panellerin genel görünümü, 3D modelin düzenleme işlemleriyle birlikte gerçek zamanlı olarak nasıl değiştiğini göstermektedir.

Otomatik zımbalama işleminin ardından taslakta görüldüğü gibi, zımba zincirleri otomatik olarak eklenmiştir. Bu görüntüde, alt panel ve sağ paneldeki zımba renkleri tutarlıdır. Daha sonra zımba zincirleri, otomatik kırma işleminin ardından taslakta burada gösterildiği gibi, kullanıcı tanımlı parametrelere göre kırılmıştır.

Ardından, zımba zincirleri, cihazın istenen işlevine uyarlamak için manuel olarak düzenlendi. Heliks 29 ve 30 arasındaki boşluğun tamamı, bu taslakta ikisini birbirine bağlayan herhangi bir çapraz geçiş olmadığını göstermektedir. Manuel düzenlemeden sonra, alt panelde görüldüğü üzere yükleme alanı zımbalarının görünümü sunulmuştur.

Artık gerekli olmayan kılavuz HELOC'lar çıkarıldıktan sonra, bu görüntü, HELOC 29 ve 30'dan GA zincirleri olarak kullanılacak olan iki zımbanın uzatılmasını göstermektedir. İki zincirin zıt yönlere baktığına dikkat edin; bu durum, gait dubleksinin oluşumu için zorunludur. Bu, bu prosedürde tasarlanan final modelin TEM görüntüsüdür.

Numune, yazarların önceki raporlarında tam olarak açıklandığı şekilde üril format ile boyanmış ve GL transmisyon elektron mikroskobunda görüntülenmiştir. Bu videoyu izledikten sonra, seçtiğiniz herhangi bir uygulama için DNA origami kullanarak bir robotun nasıl tasarlanacağı konusunda iyi bir anlayış kazanmış olmalısınız.