הרכבה של Nanorods זהב לתוך כיראלי Metamolecules Plasmonic באמצעות תבניות אוריגמי דנ א

Chemistry
 

Summary

אנו מתארים את פרוטוקול מפורט עבור DNA מבוסס-אוריגמי הרכבה של nanorods זהב לתוך כיראלי metamolecules plasmonic עם chiroptical חזקה תגובות. הפרוטוקול אינה מוגבלת תצורות כיראלי ולא ניתן להתאים בקלות על הזיוף של ארכיטקטורות שונות plasmonic.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

מיעון הטבועה של ה-DNA אוריגמי מבנים גורם להם תבניות אידיאלי עבור הסידור של חלקיקי מתכת לתוך nanostructures plasmonic מורכבים. דיוק מרחבית גבוהה של אסיפה אוריגמי תבניות DNA מאפשר שליטה של צימוד בין plasmonic מגנטיים של חלקיקים בודדים ומאפשר התאמת אופטיות ספקטרליות nanostructures נבנה. לאחרונה, מערכות plasmonic כיראלי משכה הרבה תשומת לב בשל מתאם חזק בין תצורת המרחב של הרכבות plasmonic ותגובות אופטי שלהם (למשל, קיווטות [תקליטור]). ב פרוטוקול זה, אנו מתארים את זרימת העבודה כל לדור של ה-DNA מבוסס-אוריגמי כיראלי מכלולים של nanorods זהב (AuNRs). הפרוטוקול כולל תיאור מפורט של עקרונות והליכים ניסיוני הזיוף של ה-DNA אוריגמי תבניות, הסינתזה של AuNRs של ההרכבה של אוריגמי-AuNR מבנים. בנוסף, אפיון מבנים תוך שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) וספקטרוסקופיה CD הינה כלולה. הפרוטוקול המתואר אינו מוגבל תצורות כיראלי ולא ניתן להתאים לבנייה של ארכיטקטורות שונות plasmonic.

Introduction

ה-DNA nanostructures, ה-DNA אוריגמי בפרט, היה בשימוש נרחב כדי לארגן מולקולות ורכיבים אחרים ננו (למשל, חלבונים ו חלקיקים [NPs]), בדייקנות ננומטר לתוך גיאומטריות כמעט שרירותי1,2 , 3 , 4 , 5. היכולת לארגן NPs מתכת על ה-DNA אוריגמי תבניות עם תשואה גבוהה, דיוק מאפשר הזיוף של מבנים plasmonic עם מאפיינים אופטיים חדשניים6,7,8, 9 , 10. דנ א אוריגמי טכניקה שימושית במיוחד עבור הדור של כיראלי מבנים plasmonic, אשר דורשים ארכיטקטורות באמת תלת מימדי11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.

פרוטוקול זה מתאר בפירוט את התהליך כולו של הזיוף של מכלולים כיראלי אוריגמי תבניות DNA של AuNRs. תוכנת עיצוב21 והוא מבנה חיזוי22,23 של ה-DNA אוריגמי היא זמינה בחופשיות האינטואיטיביים. אוריגמי פבריקציה נוספת של סינתזה AuNR להשתמש נפוצות ציוד מעבדה בביוכימיה (למשל, thermocyclers, בג'ל, פלטות חמות, צנטריפוגות). המבנים מאופיינים בעזרת ספקטרוסקופיית TEM ו- CD רגיל.

הזיוף של nanostructures plasmonic דומה עם שיטות מלמעלה (למשל, ליתוגרפיה קרן של אלקטרונים) ידרוש ציוד יקר ומסובך למדי. בנוסף, ה-DNA אוריגמי תבניות מספקים את האפשרות לשלב reconfigurability מבנית הרכבות plasmonic24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, אשר הוא מאוד מאתגר עבור מבנים מפוברק עם טכניקות הדפס אבן. לעומת אחרים גישות מולקולריות34,35,36,37, DNA מבוסס-אוריגמי פבריקציה נוספת מספק רמה גבוהה של דיוק המרחבית ויכולת תיכנות.

Protocol

1. עיצוב של אוריגמי דנ א

  1. זהה את הסידור המרחבי היחסי הרצוי של AuNRs ואת הצורה המתאימה של ה-DNA אוריגמי תבנית (איור 1א'). מעריכים את הפרמטרים מבנית של AuNRs של ואת התבניות אוריגמי. לאתר את מיקומם המשוער של סיכות זה נדרשים שינויים (איור 1B) נוספים.
  2. הורד והתקן caDNAno18 כדי לעצב תבנית ה-DNA אוריגמי. ב- caDNAno, הובל לגרדום והידוק הגדילים בהתאם לצורה הרצויה של התבנית וצור את רצף רצועות הידוק על ידי לחיצה על הכלי Seq. לחץ על צבע כלי ולסמן הגדילים סיכות הדורשות בהמשך השינוי (איור 1C).
  3. לחצו על כלי ייצוא לייצא רצפי דנ א סיכות (איור 1C) לקובץ csv.
  4. עיצוב כפול גדילי מנעולים לתקן את זווית Θ בין שתי חבילות אוריגמי. בהתאם הכיוון היחסי של שתי חבילות, הבונה אוריגמי יכול להסתגל שמאל - או ימינה - handed (LH/לחות) כיראלי תצורת המרחב (איור 1B).
  5. ייבוא הקובץ. csv של סיכות מהדק לתוך יישום גליונות אלקטרוניים. הוסף10 תיקים עשויים רצף בסוף סיכות מהדק המשמש להרכבה AuNR (נקודות אחיזה). לשנות את הגדילים סיכות באתרים מעוצב נעילה עם מנעול רצפי.
    הערה: ההרכבות בתוצאות נציג להכיל 36 נקודות אחיזה בולטות בקצה 3' של גדילי סיכות, 18 על תתי אוריגמי דנ א, מופץ באופן שווה על שני מקבילים helices כל 21 nt. המרחק בין הראשונים ואת המיקום האחיזה האחרון הוא 168 nt, כ 57 nm (ראה קובץ מצורף caDNAno).

2. הרכבה של התבניות אוריגמי דנ א

  1. להכין מלאי עבודה של מצרך גדילי (SM), לרבות גדילי עם ידיות מנעולי, על ידי ערבוב כמויות שוות של ריכוז מנורמל סיכות oligonucleotides (למשל, 100 מיקרומטר).
    הערה: אוריגמי מבנים מכילים בדרך כלל כמה מאות רצועות הידוק. סיכות נרכשים בדרך כלל מספקי המתמחה סינתזה כימיים של הדנ א oligonucleotides ב multiwell (למשל, 96-ובכן) צלחות.
  2. עבור µL 500 של אוריגמי nM 10, מערבבים 50 µL של טריס-EDTA (טה, 10 x), µL 100 MgCl2 (100 מ מ), µL 25 של NaCl (100 מ מ), µL 175 של H2O, 100 µL של SM (0.5 מיקרומטר), 5 µL של מנעול קווצות (5 מיקרומטר) , ואת לפיגום 50 µL (100 ננומטר).
  3. Anneal את התערובת ב thermocycler מ- 80 ° C עד 20 ° C כפי שמתואר בטבלה 1.

3. דנ א אוריגמי טיהור

הערה: סעיף זה מתאר את פרוטוקול agarose ג'ל לטיהור. ה-DNA אוריגמי תבניות אפשר גם לטהר באמצעות גישות אלטרנטיביות38,39.

  1. עבור 1% ג'ל, להמיס 1g של agarose ב- 100 מ של טריס-בוראט-EDTA (TBE, 0.5 x) על ידי חימום התערובת בתנור מיקרוגל. להוסיף 10 µL של 10,000 x DNA כתם בהתאם למפרט הכתם. כדי למזער את החשיפה לאור UV בשלב החילוץ (שלב 3.6), השתמש כתם DNA זה להיות visualized תחת עירור כחול.
  2. הפתרון עד כ 40 ° צלזיוס וחותכים לאט להוסיף 1 מ"ל של MgCl2 (1.3 M) תוך טלטול. הטלת ג'ל, תקופת דגירה של 30 דקות בטמפרטורת החדר.
  3. הגדר שההתקן אלקטרופורזה ויוצקים מאגר זורמים קרים (4 ° C) (0.5 x TBE עם 11 מ"מ MgCl2) לתוך תיבת ג'ל. הצב את תיבת ג'ל באמבט מי קרח.
  4. להוסיף טעינת מאגר דגימות אוריגמי (6 x טעינת מאגר מכיל 15% polysucrose 400 ו 0.25% bromophenol כחול במים). לטעון את הדגימות לתוך הבארות עם אמצעי אחסון נאות לפי המסרק בשימוש (למשל, 50 µL עבור פיזור 8-ובכן 1.5 מ מ עובי).
  5. הפעל את אלקטרופורזה כבר שעתיים 80 V.
    הערה: כדי לאפיין את אוריגמי ולהפריד את מבנה פתוחים וסגורים, השתמש 2% ג'ל במקום 1%, להאריך את זמן הריצה ל 4 שעות.
  6. תמונה את הג'ל עם הצלם ג'ל (איור 2). השתמש transilluminator אור כחול כדי להמחיש הלהקות, לחתוך את הלהקה אוריגמי, לרסק את הג'ל על מצלמות-מיקרוסקופים ולחלץ את הנוזל. התשואה השחזור הוא כ-40%.
  7. Pipette את הנוזל לתוך יחידה צנטריפוגלי מסנן ומדידת הספין-x 3000 g עבור 5 דק קליטתם של הפתרון אוריגמי-260 ננומטר עם ספקטרומטר הגלוי סגול (UV-VIS). מעריכים את הריכוז של אוריגמי באמצעות מקדם של הכחדה של 1.3 x 108 ז-1·cm-1.
    הערה: הריכוז טיפוסי של אוריגמי פתרון לאחר agarose ג'ל לטיהור הוא 1-2 ננומטר.
  8. אחסן את התבניות אוריגמי מטוהרים ב 4 ° C לשימוש מאוחר יותר.

4. סינתזה של nanorods זהב

הערה: הפרוטוקול עבור סינתזה AuNR מותאמת מן הספרות הקודם40 עם שינויים מזעריים.

  1. לשטוף את כל כלי זכוכית עם aqua regia במשך 5 דקות, לשטוף אותו במים, sonicate אותו עם מים הנדסה גנטית, לייבש אותו לפני השימוש.
  2. להכין 0.2 מ' hexadecyltrimethylammonium ברומיד (CTAB), 1 מ HAuCl4, 4 מ מ AgNO3, 64 מ מ L (+)-חומצה אסקורבית, ו 6 מ"מ NaBH4. להשתמש במים קרים (4 ° C) להמיס NaBH4 לשמור אותו במקרר ב 4 º C. חומצה אסקורבית שהפתרון צריך להיות מוכן טרי.
    התראה: CTAB. הוא דבר מסוכן במקרה של מגע עם העור (גירוי), קשר עין (גירוי), בליעה, שאיפה ללבוש ביגוד מגן מתאים. במקרה של אוורור לא מספיק, ללבוש ציוד הנשימה מתאים. NaBH4 הוא מאוד מסוכן במקרה של מגע עם העור (גירוי), קשר עין (גירוי), בליעה, אינהלציה. ללבוש משקפי הפתיחה, חלוק מעבדה, כפפות, ומאושפז אדים ואבק. הקפד להשתמש מכונת ההנשמה אישרה/מוסמך או שווה ערך.
  3. להכין זרעים Au.
    1. להוסיף 500 µL של CTAB (0.2 מ'), 250 µL של מים הנדסה גנטית, µL 250 HAuCl4 (1 מ מ) לתוך בקבוקון זכוכית. מערבבים במהירות של סל ד 450 בטמפרטורת החדר במשך 5 דקות.
    2. להגביר את קצב מלהיב עד 1200 סל ד. להוסיף 100 µL NaBH קר4 פתרון (6 מ מ, 4 ° C). אחרי 2 דקות, לעצור את ערבוב של דגירה הפתרון באמבט מים ב 30 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות לפני השימוש.
  4. להכין את AuNRs.
    1. להמיס 0.55 g של CTAB ו- 0.037 גרם חומצה 2, 6-dihydroxybenzoic 15 מ"ל של מים חמים (60-65 מעלות צלזיוס) בבקבוקון סיבוב המדרגה. לקרר את הפתרון של 30 מעלות צלזיוס, להוסיף µL 600 AgNO3 (4 מ מ), ומערבבים -450 סל"ד למשך 2 דקות. אז תעזוב את הפתרון ללא הפרעה במשך 15 דקות ב- 30 ° C.
    2. להוסיף 15 מ"ל של HAuCl4 (1 מ מ) הפתרון, ומערבבים במהירות של סל ד 450 במשך 15 דקות להוסיף 120 µL של L (+)-חומצה אסקורבית (64 מ מ), ו ואז, באופן מיידי, מערבבים-1,200 סל ד עבור 30-ס' 12 להוסיף µL של זרעים Au, וערבבו -1,200 סל ד ל 30 s.
    3. דגירה הפתרון באמבט מים ב 30 מעלות צלזיוס במשך 18 h. לא להפריע הפתרון ולהשתמש כובע כדי לסגור את הבקבוק.
    4. הפתרון הנובעת להעביר צינורות צנטריפוגה ולאחר צנטריפוגה ב 9,500 x g למשך 12 דקות ב 20 º C. למחוק את תגובת שיקוע, לפזר בגדר ב- 20 מ ל מים הנדסה גנטית, ולבצע צנטריפוגה בצעד אחד.
    5. לפזר בגדר הסופי ב- 3 מ ל מים מזוקקים. מעריכים את הריכוז של AuNRs מ- UV-VIS הקליטה מדידה באמצעות המקדם הכחדה התהודה פלזמון האורך. ניתן לחזות את מקדם הכחדה באמצעות פרמטרים של צורה AuNR41. אחסן את AuNRs ב 4 ° C לשימוש נוסף.

5. functionalization של nanorods זהב עם דנ א חד גדילי

הערה: סעיף זה מתאר את פרוטוקול AuNR functionalization עם דנ א חד גדילי (ssDNA), עוקב התוואי כביכול pH נמוך מ ספרות הקודם42. AuNRs מכוסה עם ה-DNA וגופם מטוהר באמצעות צנטריפוגה; לחלופין, הטיהור יכול להתבצע באמצעות agarose בג'ל.

  1. דגירה µL 20 של גדילי DNA תיול-functionalized polyT (1 מ"מ) עם µL 20 של טריות tris(2-carboxyethyl) הידרוכלוריד פוספין (TCEP, 14 מ מ) עבור h 1 להפחתת חוב דיסולפידי.
    הערה: טופס קבוצות תיול אג ח עם AuNRs, הרצף polyT hybridizes עם ידית10 תיקים עשויים על אוריגמי, שבו זוגות בסיס מדי או מעט מדי עלול לגרום תקלה או הרכבה לא יציב.
    התראה: TCEP יכול לגרום כוויות חמורות העור ונזקי עין. ללבוש כפפות מגן/מגן בגדים/עין הגנה/הפנים הגנה.
  2. תערובת 150 µL של AuNRs (10 ננומטר) ו- µL 40 של שטופלו TCEP תיול-DNA (0.5 מ מ). להוסיף 1% dodecyl נתרן גופרתי (מרחביות) הפתרון AuNR להגיע ריכוז מרחביות הסופי של 0.05%. להתאים את ה-pH ל- 2.5-3 עם ~ 1 µL של HCl (1 מ').
  3. תקופת דגירה של 2 h תוך טלטול-סל ד 70.
    הערה: היחס AuNR-ל-DNA צריך להיות מסודר לפי 1:5, 000-15,000, בהתאם לגודל של המוטות. עבור AuNRs (70 nm x 30 ננומטר) הכין הפרוטוקול המתואר בסעיף 4, 13,000 עודף של תיול-DNA הוא המומלץ הבא.
  4. הוסף NaCl כדי להגיע עם concertation NaCl הסופי של 0.5 M, דגירה במשך 4 שעות בטמפרטורת החדר תוך כדי טלטול-סל ד 70.
    הערה: שינוי צבע בשלב זה עשוי לציין functionalization כושל של DNA.
  5. להתאים את ה-pH ל ~8.5 עם מאגר TBE (10 x), דגירה בין לילה.
  6. לשטוף את הדנ א-AuNRs 4 x על ידי ערבוב הדגימות עם 1 מ"ל לרחוץ את מאגר (0.5 x TBE עם 0.1% מרחביות), ואת צנטריפוגה ב x כ-7,000 גרם במשך 30 דקות להסיר את תגובת שיקוע, resuspend DNA-AuNRs בתוך הנוזל הנותר (~ 40 µL). מעריכים את הריכוז של ה-DNA-AuNRs מ- UV-VIS הקליטה מדידה כפי שמתואר בשלב 4.4.5.
    הערה: הפתרון עשוי להיות מעט "מעונן"-צעדים 5.3-5.4 עקב החלפת CTAB מפני השטח של AuNRs מאת תיול-DNA. הפתרון צריך להיות ברור על התחממות כדור הארץ עד ~ 35 º C למשך 5 דקות.

6. הרכבה של nanorods זהב על תבניות אוריגמי דנ א

  1. להוסיף MgCl2 הפתרון של מטוהרים הדנ א-AuNRs, כדי ריכוז סופי של 10 מ מ. מערבבים את הדנ א-AuNRs מטוהרים ואת אוריגמי יחס של 10:1.
    הערה: יחס נמוך יותר עשויה להקטין את התשואה של המוצר43.
  2. Anneal את התערובת במיקסר עם בקרת טמפרטורה של 40 ° צלזיוס עד 20 מעלות צלזיוס תוך טלטול-400 סל ד, בעקבות ההליך בטבלה מס ' 2.
    הערה: עבור תקליטור אפיון, המדגם ניתן למדוד לאחר שלב זה ללא טיהור נוסף.
  3. להשתמש בג'ל 0.7% agarose (3.5 h 80 V) כדי לטהר את המבנים אוריגמי הסופי-AuNR.
  4. השתמש transilluminator אור לבן עבור הדמיה. לחתוך את הלהקה המוצר (דימר אוריגמי-AuNR) (איור 3), לרסק את הג'ל על מצלמות-מיקרוסקופים ולחלץ את הנוזל. פיפטה הנוזל לתוך יחידת צנטריפוגלי מסנן ספין-x 3000 g עבור 5 דק Resuspend אוריגמי-AuNRs בפתרון. התשואה שחזור של הג'ל הוא כ- 50%.
  5. מעריכים את הריכוז של המבנים אוריגמי-AuNR מ- UV-VIS הקליטה מדידה כפי שמתואר בשלב 4.4.5.

7. הילוכים מיקרוסקופ אלקטרונים הדמיה

הערה: זו formate uranyl (UFo) צביעת פרוטוקול זה ממאמרו של ספרות הקודם44.

  1. מיקס 200 µL של פתרון UFo (0.75%) µL 1 של NaOH (5 מ'), מערבולת מיידית לתקופה מינימלית של 2-3 Centrifuge הפתרון הכתם למשך 3-4 דקות ב 14,000 x g. להגן על הכתם מפני חשיפה קלה (למשל, על ידי ליפוף זה בנייר אלומיניום).
    התראה: UFo הוא רעיל אם נשאף או בלע יכול לגרום לגירוי העין. במקרה של חשיפה קצרה או זיהום נמוכה, להשתמש בהתקן מסנן בדרכי הנשימה. במקרה של חשיפה אינטנסיבית או יותר, השתמש בהתקן עצמאי מגן נשימתי. ללבוש כפפות. החומר הכפפות חייב להיות אטום ועמיד בפני UFo ופתרונות שלה. ללבוש משקפי סגור בחוזקה.
  2. זוהר-פריקה פחמן/formvar-מצופה רשתות TEM 6 s רק לפני השימוש כדי להגביר את hydrophilicity ולקדם דבק של המבנים. פיפטה 5 טיפות מדגם µL על הרשת TEM, תקופת דגירה של 5-8 דקות והסר את המסירה על-ידי נגיעה בעדינות על נייר סינון עם הקצה של הרשת.
  3. פיפטה אחד גדול (µL ~ 20), אחת קטנה (~ 10 µL) ירידה של הפתרון כתם על מצלמות-מיקרוסקופים. לשים את הרשת על הירידה פתרון כתם קטן ויבש באופן מיידי על-ידי נגיעה נייר הסינון עם הקצה של הרשת. . אז תלבש אותה הטיפה פתרון כתם גדול ב-30 s.
  4. הסר את הנוזל על הרשת על-ידי נגיעה נייר הסינון עם הקצה של הרשת. מקם את הרשת בעל רשת. לחכות רשת לייבוש על פחות 10 דקות.
  5. לאפיין את הדגימות של אוריגמי (איור 4), AuNRs (איור 5), אוריגמי-AuNRs (איור 6) מאת TEM.

8. קיווטות מדידה

  1. נקה את ספקטרומטר CD עם N2 למשך 20 דקות.
    הערה: רוב ספקטרומטרים CD לדרוש מנקה עם N2 לפני מנורה ההצתה. בדוק את המדריך ספקטרומטר CD.
  2. הגדר את רוחב הפס, טווח סריקה, ואת שלב הרכישה.
    הערה: טווח סריקה תלוי התכונות האופטיות של AuNRs, אשר תלויים בגודל של AuNRs.
  3. מדד תקליטור ריק עם מאגר.
  4. למדוד את ספקטרום תקליטור של אוריגמי-AuNR דגימות (איור 7).
    הערה: השתמש ליטרים או זכוכית וואקום למדידה CD. פלסטיק וואקום הזדהמו CD ספקטרוסקופיה. גם, רוב ספקטרומטרים CD מאפשרים רכישת סימולטני הקליטה ונתונים תקליטורים.

Representative Results

TEM תמונות של ה-DNA אוריגמי תבניות, AuNRs הרכבות אוריגמי הסופי-AuNR מוצגים באיור 4, איור 5ו- איור 6א, בהתאמה. עקב העדפתן איגוד לרשתות TEM, הרכבות אוריגמי-AuNR נראים בדרך כלל כמו אוריגמי מקבילים חבילות, מוטות (איור 6א). חישול תרמי נדרש היישור הנכון של AuNRs על תבניות אוריגמי (איור 6A, B). הפרוטוקול מאפשר תפוקה גבוהה של ההרכבה של AuNRs לתוך metamolecules כיראלי עם חזק תגובות CD plasmonic (איור 7).

טמפרטורה (° C) זמן
80 15 דקות
79 - 71 1 ° C/1 דקות
70 - 66 1 ° C/5 דקות
65 - 60 1 ° C/30 דקות
59 - 37 1 ° C/60 דקות
36 - 30 1 ° C/15 min
29 - 20 1 ° C/5 דקות
20 . תחזיק

טבלה 1: טמפרטורות ואת המחירים עבור חישול תרמי של ה-DNA אוריגמי תבניות.

טמפרטורה (° C) הזמן (דקות)
40 130
36 180
32 180
22 . תחזיק

בטבלה 2: טמפרטורות והשעות מחזיק עבור חישול של תבניות אוריגמי AuNRs ודנ א. בקצב קירור בין השלבים מוגדר ב- 0.1 º C/דקה. דגימות ה-DNA אוריגמי-AuNR הם annealed תוך טלטול-400 סל ד.

Figure 1
איור 1 : העיצוב של metamolecules כיראלי אוריגמי תבניות דנ א. (א) לזהות את הסידור המרחבי היחסי הרצוי של nanorods זהב (AuNRs), צורה מתאימה של אוריגמי תבנית ה-DNA. (B) להעריך את הפרמטרים מבנית של AuNRs (DAuNR, L 'AuNR), התבנית אוריגמי (Wאוריגמי, Lאוריגמי, Θ). לאתר את מיקומם המשוער של סיכות מהדק זה נדרשים שינויים נוספים. תכנון (C) של ה-DNA אוריגמי תבניות באמצעות caDNAno. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 : Agarose בג'ל של אוריגמי- (א) טיהור עם 1% agarose בג'ל עבור 2 h 80 נגד אפיון (B) עם 2% agarose בג'ל במשך 4 שעות 80 נ' אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 : הטיהור agarose ג'ל אלקטרופורזה של אוריגמי-AuNRs. ג'ל (0.7%) הופעלה עבור 3.5 h 80 V על הדגימות שהוכן בעקבות ההליך הרכבה עם יחסים DNA-AuNR-כדי-אוריגמי שונים (20:1, 5:1) ודוגמאות (יחס ה-DNA-AuNRs-כדי-אוריגמי 10:1) עם או בלי חישול בהליך. לתמונות TEM של הדגימות בלהקות 1, 2 ו- 3, ראה איור 6. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : תמונת TEM נציג של תבניות אוריגמי דנ א. המבנה אוריגמי מורכב שתי חבילות 14-סליל (80 nm x 16 nm x 8 ננומטר) מקושרים יחד על ידי סטרנד לגרדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5 : תמונת TEM נציג AuNRs. הממדים הממוצע של AuNRs מסונתז הם 70 x 30 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6 : TEM תמונות מכלולים אוריגמי-AuNR. (א) AuNR הדימרים על אוריגמי לאחר חישול (פס 1 באיור3). (B) AuNR הדימרים על אוריגאמי ללא מחזק (פס 2 באיור3). (ג) אוריגמי-AuNR אגרגטים (להקת 3 באיור3). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7 : CD ספקטרום של ההרכבות אוריגמי-AuNR. ספקטרום תקליטור של המבנים סגורים (התבניות אוריגמי קבוע על ידי מנעול גדילי לתוך תצורה ימני, עם 50° בין שתי חבילות אוריגמי) ואת המבנה פתוח (התבניות אוריגמי ללא מנעול גדילי). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

הפרוטוקול מציג את זרימת העבודה שלם של עיצוב, הרכבה, טיהור, ואפיון של ה-DNA מבוסס-אוריגמי כיראלי מכלולים של AuNRs. התבניות אוריגמי DNA בשימוש בפרוטוקול מתאימים במיוחד ייצור מכלולים מגיב לגירויים. סוגים שונים של תגובות, functionalizes ניתן לשלב הגדילים נעל המגדירים את המדינה כיראלי של אוריגמי תבנית (איור 1B)24,25,26,31. עבור הרכבות סטטי, תבניות בצורת בלוק פשוטים יותר לעיתים קרובות מספיק14,45,46,47.

הגישה מבוססת-אוריגמי דנ א כדי הזיוף של ננו-מבנה plasmonic יורש מגבלות טכניקה אוריגמי דנ א48. הגודל של התבניות אוריגמי מוגבל בדרך כלל לפי גודל סטרנד לגרדום. היציבות של ה-DNA מבנים מצטמצם בתנאים החוק-מלח. העלות של הידוק סינתטי קווצות נשאר גבוה למדי. עם זאת, ההתפתחויות האחרונות בתחום של ננוטכנולוגיית דנ א מבניים צפויים כדי להתגבר על אלה מגבלות49,50,51,52,53,54 , 55.

לעומת אחרים גישות מולקולריות ליצירת כיראלי מכלולים של AuNRs34,35,36,37, DNA אוריגמי מספק רמה גבוהה של דיוק המרחבית ויכולת תיכנות.

להשגת תגובות אופטי לשחזור ואמין מכלולים כיראלי, אנו ממליצים התאמת הפרוטוקולים עבור סינתזה AuNR40, מאז האיכות ואת התכונות האופטיות של מוצרים מסחריים עשויים להשתנות בין קבוצות. מחזק (צעד נוסף 6.2) לעתים קרובות חיוני להבטחת החזקה נכונה של AuNRs לתבניות אוריגמי דנ א (איור 6).

לבסוף, הפרוטוקול המתואר כאן אינה מוגבלת הרכבות כיראלי. ה-DNA אוריגמי מספק פלטפורמה גמישה מאוד הזיוף של מורכבות nanostructures plasmonic9,10.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים תודה Voutilainen ס לסייע לה עם תקליטור ספקטרומטר. המחברים להכיר במתן תמיכה טכנית על ידי אוניברסיטת הלסינקי-OtaNano - מרכז Nanomicroscopy (אלטו-NMC) ומתקנים. עבודה זו נתמכה על ידי האקדמיה של פינלנד (גרנט 308992) ולהעניק אופק 2020 מחקר וחדשנות התכנית של האיחוד האירופי תחת מארי הספרותמוזאון הסכם 71364 מס.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics