Vergadering van gouden nanostaafjes in chirale Enterprise Metamolecules met behulp van DNA Origami sjablonen

Chemistry
 

Summary

We beschrijven het gedetailleerd protocol voor de DNA origami gebaseerde montage van gouden nanostaafjes in chirale Enterprise metamolecules met sterke chiroptical reacties. Het protocol is niet beperkt tot chirale configuraties en kan gemakkelijk worden aangepast voor de fabricage van diverse Enterprise-architecturen.

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

De inherente serverprocessor van DNA origami structuren maakt ze ideaal sjablonen voor de rangschikking van de metalen nanodeeltjes in complexe Enterprise nanostructuren. De hoge ruimtelijke precisie van een DNA origami-templated vergadering kan controle van de koppeling tussen Enterprise resonanties van individuele deeltjes en kan afstemmen van de optische eigenschappen van de geconstrueerde nanostructuren. Onlangs, chirale Enterprise systemen trok veel aandacht te wijten aan de sterke correlatie tussen de ruimtelijke configuratie van Enterprise assemblages en hun optische Reacties (bijvoorbeeld circulair dichroïsme [CD]). In dit protocol beschrijven we de hele workflow voor de generatie van DNA origami gebaseerde chirale assemblages voor gouden nanostaafjes (AuNRs). Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van de ontwerpprincipes en experimentele procedures voor de fabricage van DNA origami sjablonen, de synthese van AuNRs en de vergadering van origami-AuNR structuren. Bovendien, is de karakterisatie van structuren met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en spectroscopie van de CD opgenomen. Het beschreven protocol is niet beperkt tot chirale configuraties en kan worden aangepast voor de bouw van diverse Enterprise-architecturen.

Introduction

DNA nanostructuren, DNA origami in het bijzonder hebben al gebruikte moleculen en andere componenten van de nanoschaal (bijvoorbeeld eiwitten en nanodeeltjes [NPs]), ordenen met nanometer precisie in bijna willekeurige geometrieën1,2 , 3 , 4 , 5. de mogelijkheid om te regelen van metalen NPs op DNA origami sjablonen met een hoge opbrengst en de nauwkeurigheid laat de fabricage van Enterprise structuren met nieuwe optische eigenschappen6,7,8, 9 , 10. DNA origami techniek is vooral handig voor de generatie van chirale Enterprise structuren, waarvoor werkelijk driedimensionale platforms11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.

Dit protocol beschrijft in detail het gehele proces van de fabricage van DNA origami-templated chirale vergaderingen van AuNRs. De software gebruikt voor het ontwerp21 en structuur voorspelling22,23 van DNA origami is intuïtief en vrij beschikbaar. De origami fabricage en AuNR synthese gebruiken gemeenschappelijke biochemie lab apparatuur (bijv. thermocyclers, de gelelektroforese van het, kookplaten, centrifuges). De structuren zijn gekenmerkt met behulp van standaard TEM en CD spectroscopie.

De fabricage van soortgelijke Enterprise nanostructuren met topdown methoden (bijvoorbeeld electron beam lithografie) zou vereisen nogal ingewikkelde en dure apparatuur. Daarnaast bieden DNA origami sjablonen de mogelijkheid om op te nemen structurele herconfigureerbaar in Enterprise assemblages24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, die zeer uitdagend voor structuren vervaardigd met litho technieken is. Vergeleken met andere moleculaire gebaseerde benaderingen34,35,,36,,37, biedt DNA origami gebaseerde fabricage een hoge mate van ruimtelijke precisie en programmeren.

Protocol

1. ontwerp van de DNA-origami

  1. Bepaal de gewenste relatieve ruimtelijke rangschikking van AuNRs en de geschikte vorm van de DNA origami sjabloon(afbeelding 1). Schatten van de structurele parameters van de AuNRs en de origami-sjablonen. Zoek de geschatte posities van nietjes moeten verdere wijziging (Figuur 1B).
  2. Download en installeer caDNAno18 om een DNA-origami ontwerpsjabloon. In caDNAno, route de steiger en nieten strengen volgens de gewenste vorm van de sjabloon en de volgorde van stapelvezels strengen genereren door te klikken op Seq Tool. Klik op De knop Paint en markeer het nietje strengen die verder moeten worden gewijzigd (Figuur 1C).
  3. Klik op Hulpprogramma voor het exporteren als u wilt het nietje opeenvolgingen van DNA (Figuur 1C) exporteren naar een CSV-bestand.
  4. Double-stranded sloten vast de Θ van de hoek tussen de twee bundels van origami te ontwerpen. Afhankelijk van de relatieve stand van de twee bundels, kunt de origami-construct links - of rechtshandig (LH/RH) chirale ruimtelijke configuratie (Figuur 1B) aanpassen.
  5. De nietjes CSV-bestand importeren in een spreadsheetprogramma. Een reeks van polyA10 toevoegen aan het einde van de nietjes gebruikt voor AuNR montage (grepen). Wijzig de nietje strengen op de sites van de ontworpen slot met lock sequenties.
    Opmerking: De assemblages in de representatieve resultaten bevatten 36 handgrepen uitsteekt aan de 3' einde van de staple strengen, 18 op elke DNA origami bundel, gelijkmatig verdeeld over twee parallelle helices elke 21 nt. De afstand tussen de eerste en de laatste positie van de greep is 168 nt, ongeveer 57 nm (Zie de bijgevoegde caDNAno-bestand).

2. montage van de DNA-origami-sjablonen

  1. Voorbereiden van een voorraad van de werken van stapelvezels strengen (SM), met inbegrip van strengen met grepen en sloten, door het mengen van gelijke hoeveelheden van concentratie-genormaliseerd nietje oligonucleotides (b.v., 100 µM).
    Opmerking: Origami structuren bevatten meestal enkele honderden nietje strengen. Nietjes worden meestal gekocht van leveranciers die zijn gespecialiseerd in de chemische synthese van DNA oligonucleotides in multiwell (bijv., 96-Wells) platen.
  2. Voor 500 µL van 10 nM origami, Meng 50 µL van Tris-EDTA (TE, 10 x), 100 µL van MgCl2 (100 mM), 25 µL van NaCl (100 mM), 175 µL van H2O, 100 µL van SM (0,5 µM), 5 µL van lock strengen (5 µM) , en een 50 µL steiger (100 nM).
  3. Ontharden het mengsel in een thermocycler van 80 ° C tot 20 ° C in tabel 1beschreven.

3. DNA origami zuivering

Opmerking: Deze sectie beschrijft het protocol voor agarose gel zuivering. DNA origami sjablonen kunnen ook gezuiverd worden met behulp van alternatieve benaderingen38,39.

  1. Voor 1% gel, los 1 g agarose in 100 mL Tris-boraat-EDTA (TBE, 0,5 x) door verwarming van het mengsel in een magnetron. Voeg 10 µL van 10.000 x DNA stain volgens de specificatie van de vlek. Gebruiken om te minimaliseren van de blootstelling aan UV-licht op de extractie stap (3.6), een DNA-vlek die onder blauwe excitatie kan worden gevisualiseerd.
  2. Koel de oplossing tot ongeveer 40 ° C en voeg langzaam 1 mL MgCl2 (1.3 M) terwijl het schudden. Gegoten gel en incubeer gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur.
  3. Stel het apparaat elektroforese en giet er koud (4 ° C) lopende buffer (0,5 x TBE met 11 mM MgCl2) in het vak van de gel. Plaats de gel-vak in een waterbad van ijs.
  4. Laden buffer toevoegen aan de monsters van de origami (6 x laden buffer bevat 15% polysucrose 400 en 0,25% bromophenol blauw in water). Laad de monsters in de putjes met een juiste volume volgens de kam gebruikt (, bijvoorbeeld 50 µL voor een 8-well kam van 1,5 mm dikte).
  5. Voer de elektroforese gedurende 2 uur bij 80 V.
    Opmerking: Om te karakteriseren de origami en scheiden van de open en gesloten structuur, 2% gel gebruiken in plaats van 1% en de lopende tijd tot 4 h verlengen.
  6. Het imago van de gel met de gel imager (Figuur 2). Gebruik een blauwe lichte transilluminator te visualiseren van de banden, snijden de origami-band smash van de gel op een parafilm en uitpakken van de vloeistof. De herstel-opbrengst is ongeveer 40%.
  7. Pipetteer van de vloeistof in een centrifugaal filter eenheid en draai bij 3000 x g gedurende 5 min. meten van de absorptie van de origami-oplossing bij 260 nm met een UV-zichtbaar (UV-VIS) spectrometer. Schatting van de concentratie van origami met behulp van een aanpassingscoëfficiënt vast die uitsterven van 1.3 x 108 M-1-•cm-1.
    Opmerking: De typische concentratie van origami oplossing nadat agarose gel zuivering is 1-2 nM.
  8. De gezuiverde origami sjablonen bij 4 ° C voor later gebruik opslaan.

4. synthese van gouden nanostaafjes

Opmerking: Het protocol voor AuNR synthese is aangepast uit de vorige literatuur40 met kleine wijzigingen.

  1. Alle glaswerk met koningswater gedurende 5 minuten wassen, spoelen met water, bewerk het ultrasone trillingen ten met ultrazuiver water en droog het vóór gebruik.
  2. Bereiden van 0,2 M hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), 1 mM HAuCl4, 4 mM AgNO3, 64 mM L (+)-ascorbinezuur, en 6 mM NaBH4. Gebruik koud water (4 ° C) te ontbinden NaBH4 en bewaar deze in een koelkast bij 4 ° C. Ascorbinezuur oplossing moet vers worden bereid.
    Let op: CTAB is gevaarlijk in geval van contact met de huid (irriterend), contact met de ogen (irriterend), via ingestie en inhalatie. Draag geschikte beschermende kleding. Bij ontoereikende ventilatie een geschikte adembescherming dragen. NaBH4 is zeer gevaarlijk in geval van contact met de huid (irriterend), contact met de ogen (irriterend), via ingestie en inhalatie. Draag splash bril, een laboratoriumjas, handschoenen en een gasmasker damp en stof. Zorg ervoor dat u een erkend/gecertificeerd gasmasker of een vergelijkbare groep.
  3. Au zaden voor te bereiden.
    1. Voeg 500 µL van CTAB (0,2 M), 250 µL van ultrazuiver water en 250 µL van HAuCl4 (1 mM) in een glazen ampul. Roer op 450 rpm bij kamertemperatuur gedurende 5 minuten.
    2. De opzwepende verhogen tot 1.200 tpm. Voeg 100 µL van koude NaBH4 oplossing (6 mM, 4 ° C). Na 2 minuten, stop de roeren en Incubeer de oplossing in een waterbad bij 30 ° C gedurende 30 minuten vóór gebruik.
  4. AuNRs voor te bereiden.
    1. Ontbinden 0.55 g CTAB en 0.037 g van 2,6-dihydroxybenzoic zuur in 15 mL warm water (60-65 ° C) in een rondbodemkolf. De oplossing tot 30 ° C afkoelen, voeg 600 µL van AgNO3 (4 mM) en roer bij 450 omwentelingen per minuut gedurende 2 minuten. Dan, laat de oplossing ongestoord gedurende 15 minuten staan bij 30 ° C.
    2. Voeg toe 15 mL HAuCl4 (1 mM) aan de oplossing, en roer bij 450 rpm voor 15 min. 120 toevoegen µL van L (+)-ascorbinezuur (64 mM), en vervolgens onmiddellijk, roer op 1.200 rpm voor 30 s. Voeg 12 µL van Au zaden en Blijf roeren op 1.200 rpm voor 30 s.
    3. Incubeer de oplossing in een waterbad bij 30 ° C gedurende 18 h. Niet storen van de oplossing en gebruik een dop te sluit de kolf of fles.
    4. Breng de resulterende oplossing centrifuge buizen en centrifuge 9.500 x g gedurende 12 minuten bij 20 ° C. Verwijder het supernatant, verspreiden de pellet in 20 mL ultrazuiver water en één meer centrifugeren stap uitvoeren.
    5. Het verspreiden van de laatste pellet in 3 mL gedestilleerd water. Schatting van de concentratie van AuNRs van een UV-VIS absorptie metingen met behulp van de coëfficiënt van uitsterven voor de longitudinale plasmon resonantie. De coëfficiënt uitsterven kan worden voorspeld met behulp van de AuNR vorm parameters41. Bewaar de AuNRs bij 4 ° C voor verder gebruik.

5. functionalization van gouden nanostaafjes met single-stranded DNA

Opmerking: Deze sectie beschrijft het protocol voor AuNR functionalization met single-stranded DNA (ssDNA), na de zogenaamde lage pH-route aangepast uit de vorige literatuur42. Het AuNRs bedekt met DNA zijn gezuiverd door middel van centrifugeren; u kunt ook kan de zuivering worden uitgevoerd met behulp van de Elektroforese van het gel van de agarose.

  1. Incubeer 20 µL van thiol-matiemaatschappij polyT DNA-strengen (1 mM) met 20 µL van vers bereide tris(2-carboxyethyl) Fosfine hydrochloride (TCEP, 14 mM) voor 1 h om disulfide bindingen.
    Opmerking: De vorm van de groepen thiol obligaties met AuNRs, en de reeks polyT hybridizes met de polyA10 greep op de origami, waarin te veel of te weinig basenparen tot een storing of een unstable vergadering leiden kan.
    Let op: TCEP kan ernstige huid brandwonden en oog schade veroorzaken. Draag beschermende handschoenen/beschermende kleding/oogbescherming bescherming/voor het gezicht.
  2. Mix 150 µL van AuNRs (10 nM) en 40 µL van TCEP-behandelde thiol-DNA (0.5 mM). 1% natrium dodecyl sulfaat (SDS) toevoegen aan de oplossing van de AuNR voor het bereiken van een SDS-eindconcentratie van 0,05%. Breng de pH aan 2.5-3 met ~ 1 µL van HCl (1 M).
  3. Incubeer gedurende 2 h terwijl het schudden bij 70 t/min.
    Opmerking: De AuNR-naar-DNA-verhouding moet in de volgorde van 1:5, 000-15.000, afhankelijk van de grootte van de wikkels. Voor de AuNRs (70 nm x 30 nm) bereid volgende het protocol beschreven in sectie 4, een overtollige 13.000 van thiol-DNA is aanbevolen.
  4. Toevoegen van NaCl om te bereiken van een definitieve NaCl-overleg van 0,5 M en incubeer gedurende 4 uur bij kamertemperatuur tijdens het schudden bij 70 t/min.
    Opmerking: Een kleurverandering bij deze stap kan duiden op een defecte DNA-functionalization.
  5. Breng de pH op ~8.5 met FSME buffer (10 x) en na een nacht bebroeden.
  6. Wassen van de DNA-AuNRs 4 x door het mengen van de monsters met 1 mL buffer te wassen (0,5 x TBE met 0,1% SDS), en centrifugeer bij 7.000 x g gedurende 30 min. Verwijder het supernatant en resuspendeer de DNA-AuNRs in de resterende vloeistof (~ 40 µL). Schatting van de concentratie van DNA-AuNRs van een UV-VIS absorptie metingen zoals beschreven in stap 4.4.5.
    Opmerking: De oplossing zou kunnen worden iets 'troebel' stappen 5.3-5.4 als gevolg van de CTAB vervanging van het oppervlak van de AuNRs door thiol-DNA. De oplossing moet worden duidelijk op de opwarming van de aarde tot ~ 35 ° C gedurende 5 minuten.

6. montage van gouden nanostaafjes op DNA origami sjablonen

  1. Voeg MgCl2 toe aan de oplossing van gezuiverde DNA-AuNRs, om een eindconcentratie van 10 mM. Meng de gezuiverde DNA-AuNRs en origami naar een verhouding 10:1.
    Opmerking: Een lagere ratio kan het product opbrengst43afnemen.
  2. Ontharden het mengsel in een mixer met een temperatuur van 40 ° C tot 20 ° C terwijl het schudden bij 400 rpm, overeenkomstig de procedure van tabel 2.
    Opmerking: Voor de karakterisering van de CD, de steekproef kan worden gemeten na deze stap zonder verdere zuivering.
  3. 0,7% agarose gelelektroforese (3,5 h bij 80 V) gebruiken voor het zuiveren van de definitieve origami-AuNR-structuren.
  4. Gebruik een witte lichte transilluminator voor imaging. Snijd de product band (origami-AuNR dimeer) (Figuur 3), smash van de gel op een parafilm, en haal de vloeistof. Pipetteer de vloeistof in een centrifugaal filter eenheid en de spin bij 3000 x g gedurende 5 min. resuspendeer de origami-AuNRs in de oplossing. De opbrengst van de terugwinning van de gel is ongeveer 50%.
  5. Schatting van de concentratie van de origami-AuNR structuren van een UV-VIS absorptie metingen zoals beschreven in stap 4.4.5.

7. Transmissie Electronenmicroscopie imaging

Opmerking: Deze uranyl formate (UFo) kleuring protocol is aangepast uit de vorige literatuur44.

  1. Mix-200 µL van UFo oplossing (0,75%) en 1 µL van NaOH (5 M) en vortex onmiddellijk voor 2-3 min. de vlek oplossing voor 3-4 min bij 14.000 x gcentrifugeren. De vlek behoeden door blootstelling aan licht (bijvoorbeeld door het te verpakken in aluminiumfolie).
    Let op: UFo is giftig als ingeademd of ingeslikt en leiden irritatie van de ogen tot kan. In het geval van kortstondige blootstelling of lage vervuiling, een respiratoire filter-apparaat te gebruiken. In het geval van intensieve of langere blootstelling, een self-contained respiratoire beschermende apparaat te gebruiken. Draag handschoenen. Het handschoenmateriaal moet waterdicht en bestand tegen UFo en haar oplossingen. Strak verzegelde bril dragen.
  2. Gloed-kwijting koolstof/formvar-gecoate TEM rasters voor 6 s net voor gebruik verhogen hydrophilicity en bevorderen de steken van de structuren. Pipetteer 5 µL monster druppels op de grid TEM, Incubeer gedurende 5-8 minuten en verwijder de daling door zachtjes aan te raken een filtreerpapier met de rand van het raster.
  3. Pipetteer een grote (~ 20 µL) en één kleine (~ 10 µL) drop van de oplossing van de vlek op een parafilm. Zet het raster op de daling van de oplossing van de kleine vlek en droog onmiddellijk door het aanraken van het filtreerpapier met de rand van het raster. Dan, zet het op de daling van de oplossing van het grote vlek voor 30 s.
  4. Verwijder de vloeistof op de grid door het aanraken van het filtreerpapier met de rand van het raster. Schakel het raster in de raster-houder. Wachten op de grid voor ten minste 10 min. drogen.
  5. Kenmerkend zijn de monsters van origami (Figuur 4), AuNRs (Figuur 5) en origami-AuNRs (Figuur 6) door TEM.

8. circulair dichroïsme meting

  1. Verwijderen van de CD-spectrometer met N2 voor 20 min.
    Opmerking: De meeste van de CD-spectrometers nodig zuiveren met N2 vóór lamp ontsteking. Raadpleeg de handleiding van de spectrometer CD.
  2. De bandbreedte, scannen bereik en overname stap instellen.
    Opmerking: Het scannen bereik hangt af van de optische eigenschappen van AuNRs, die afhankelijk van de grootte van de AuNRs.
  3. Maatregel lege CD met buffer.
  4. Het meten van de spectra van de CD van origami-AuNR monsters (Figuur 7).
    Opmerking: Gebruik quarts of glas cuvettes voor meting van de CD. Kunststof cuvettes zijn ongeschikt voor CD spectroscopie. Ook, de meeste CD-spectrometers toestaan de gelijktijdige overname van absorptie en gegevens van de CD.

Representative Results

TEM beelden van DNA origami sjablonen, AuNRs en definitieve origami-AuNR assembly's worden weergegeven in Figuur 4 Figuur 5en Figuur 6A, respectievelijk. Te wijten aan hun bindende voorkeur aan TEM rasters, worden origami-AuNR assembly's meestal gezien als parallelle origami bundels en stangen (Figuur 6A). Thermische gloeien is vereist voor de juiste uitlijning van de AuNRs van origami sjablonen (Figuur 6A, B). Het protocol maakt hoge rendementen van de vergadering van de AuNRs in chirale metamolecules met sterke Enterprise CD Reacties (Figuur 7).

Temperatuur (° C) Tijd
80 15 min
79 - 71 1 ° C/1 min
70 - 66 1 ° C/5 min
65 - 60 1 ° C/30 min
59 - 37 1 ° C/60 min
36 - 30 1 ° C/15 min
29 - 20 1 ° C/5 min
20 Houd

Tabel 1: Temperaturen en tarieven voor de thermische gloeien van DNA origami sjablonen.

Temperatuur (° C) Tijd (min)
40 130
36 180
32 180
22 Houd

Tabel 2: temperaturen en bedrijf tijden voor het gloeien AuNRs en DNA origami sjablonen. De koeling tarief tussen de stappen is ingesteld op 0,1 ° C/min. De origami-AuNR DNA-monsters worden gegloeid terwijl het schudden van 400 toeren per minuut.

Figure 1
Figuur 1 : Ontwerp van DNA origami-templated chirale metamolecules. (A) identificeren de gewenste relatieve ruimtelijke rangschikking van gouden nanostaafjes (AuNRs) en een geschikte vorm van de DNA origami sjabloon. (B) schatten de structurele parameters van de AuNRs (D-AuNR, LAuNR) en de origami-sjabloon (Worigami, Lorigami, Θ). Zoek de geschatte posities van de nietjes die verdere wijziging nodig. (C) ontwerp van DNA origami sjablonen met behulp van caDNAno. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : De Elektroforese van het agarose gel van origami. (A) zuiveren met 1% agarose gelelektroforese gedurende 2 uur bij 80 V. (B) karakterisering met 2% agarose de Elektroforese van het gel voor 4 uur bij 80 V. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : De agarose gel elektroforese zuivering van origami-AuNRs. Gel (0,7%) 3,5 uur werd bij 80 V voor de monsters bereid volgens de procedure van de vergadering met verschillende DNA-AuNR-naar-origami-ratio's (20:1, 5:1) en monsters (DNA-AuNRs-naar-origami-ratio 10:1) met/zonder gloeien procedure geleid. Voor TEM beelden van de monsters in banden 1 Zie 2 en 3, Figuur 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Vertegenwoordiger TEM beeld van de DNA origami sjablonen. De origami-structuur bestaat uit twee 14-helix bundels (80 nm x 16 nm x 8 nm) met elkaar verbonden door de steiger strand. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : Vertegenwoordiger TEM beeld van de AuNRs. De gemiddelde afmetingen van gesynthetiseerde AuNRs zijn 70 x 30 nm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6 : TEM beelden van origami-AuNR assemblages. (A) AuNR Dimeren op origami na gloeien (band 1 in Figuur 3). (B) AuNR Dimeren op origami zonder gloeien (band 2 in afbeelding 3). (C) Origami-AuNR aggregaten (band 3 in Figuur 3). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7 : CD spectra van de vergaderingen van de origami-AuNR. De spectra van de CD van de gesloten structuren (de origami-sjablonen door lock strengen vast in een rechtshandige configuratie, met 50° tussen twee origami bundels) en de open structuur (de origami sjablonen zonder slot strengen). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Het protocol introduceert de hele workflow van ontwerp, assemblage, zuivering en karakterisering van DNA origami gebaseerde chirale vergaderingen van AuNRs. De DNA origami sjablonen gebruikt in het protocol zijn bijzonder geschikt voor de fabrikatie van prikkels-responsieve assemblages. Verschillende soorten reacties en functionalizes kunnen worden opgenomen in de lock-strengen die de chirale staat van de origami sjabloon (afbeelding 1B)24,25,26,31te definiëren. Voor statische assemblages zijn eenvoudiger blok-vormige sjablonen vaak voldoende14,45,46,47.

De DNA origami gebaseerde benadering voor de fabricage van Enterprise nanostructuur erft beperkingen van de DNA origami techniek48. De grootte van de origami-sjablonen is meestal beperkt door de grootte van de steiger streng. De stabiliteit van DNA structuren wordt verminderd onder omstandigheden recht-zout. De kosten van synthetische nietje strengen blijft vrij hoog. Echter, recente ontwikkelingen op het gebied van structurele DNA nanotechnologie naar verwachting zullen overwinnen deze beperkingen49,50,51,52,53,,54 , 55.

Vergeleken met andere moleculaire gebaseerde benaderingen voor het genereren van chirale assemblages van AuNRs34,35,,36,,37, biedt DNA origami een hoge mate van ruimtelijke precisie en programmeren.

Voor het bereiken van betrouwbare en reproduceerbare optische reacties van chirale samenstellen, raden wij de protocollen voor AuNR synthese40, aan te passen, aangezien de kwaliteit en de optische eigenschappen van commerciële producten tussen partijen variëren kunnen. Extra onthardende (stap 6.2) is vaak van cruciaal belang voor het waarborgen van de correcte gehechtheid van AuNRs aan DNA origami sjablonen (Figuur 6).

Tot slot, het protocol hier beschreven is niet beperkt tot chirale assemblages. DNA origami biedt een zeer flexibel platform voor de fabrikatie van complexe Enterprise nanostructuren9,10.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

S. Voutilainen bedanken de auteurs voor haar hulp bij CD spectrometer. De auteurs erkennen het aanbieden van faciliteiten en technische ondersteuning via Aalto Universiteit van OtaNano - Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC). Dit werk werd gesteund door de Academie van Finland (grant 308992) en de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma onder het Marie Skłodowska-Curie subsidieovereenkomst nr. 71364.

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