Méthode neuve pour l'automatisation de l'origami d'ADN

La nature a effectué l'utilisation exagérée d'une molécule simple--ADN, le floorplan de toute la durée terrestre.

Les chercheurs inventifs ont employé les mêmes propriétés de base-appareillement qui collent deux brins d'ADN dans la double helice familière pour établir les structures utiles innombrables à l'écaille de nanomètre.

Une telle méthode, connue sous le nom d'origami d'ADN, a donné des résultats riches ces dernières années, activant la construction d'une ménagerie rapidement grandissante de 2 - et les objectifs à trois dimensions, avec des applications vastes en science des matériaux, nanoelectronics, photonics et arène biomédicale.

Dans la recherche neuve apparaissant dans la question actuelle des avances de la Science de tourillon, Hao Yan et ses collègues, en collaboration avec des scientifiques au MIT, décrivent une méthode tenant compte de l'automatisation de la construction d'origami d'ADN, énormément accélérant et simplifiant le procédé d'ouvrer les formes désirées, et d'ouvrir le monde de l'architecture d'ADN à un public plus grand.

« Le modèle d'origami d'ADN est venu au temps que nous maintenant pouvons entraîner une forme librement et demander à l'ordinateur pour sortir ce qui est nécessaire pour établir la forme d'objectif, » Yan indique.

La variété et la souplesse d'utilisation des nanoarchitectures d'ADN ont activé leur demande de portes logiques minuscules et nanocomputers, matériaux avancés avec de seules propriétés, nanoelectronics et nanocircuitries et structures manifestant les propriétés dynamiques, y compris des nanotweezers, des déambulateurs nanos et des nanorobots.

Dans la recherche récente, l'origami d'ADN que les nanostructures ont expliqué la capacité d'améliorer l'efficacité de la chimiothérapie, réduisent des effets secondaires thérapeutiques et managent même la résistance au médicament.

Yan dirige le centre de Biodesign pour le modèle moléculaire et le Biomimetics et est le professeur de Milton D. Glick Distinguished dans l'école des sciences moléculaires à ASU. Sien est joint par des chercheurs Fei Zhang de Biodesign et Qi de Xiaodong, avec des collègues aboutis par prof. Mark Bathe à partir des services du génie biologique et chimique au MIT. L'équipe d'ASU contribue leurs compétences pour valider le modèle calculé par l'équipe de MIT.

Imprimés en continu

Le pouvoir de l'origami structurel d'ADN se situe dans la capacité de la méthode de concevoir et construire un choix de formes pratiquement sans limites, qui auto-montent à partir de leurs parties des éléments. La technique fondamentale concerne une longueur d'ADN monocatenaire conçue pour se plier minutieusement dans des formes désirées par l'appareillement de base de ses quatre nucléotides élogieux. Pour compléter le nanoform, segments d'ADN courts de 20-60 nucléotides de longueur--connu comme boucles d'agrafe--sont ajoutés, agissant de goupiller la structure pliée d'échafaudage en place par le base-appareillement à l'emplacement pré-sélectionné (voir l'animation).

Au commencement, l'origami d'ADN a été employé pour concevoir les 2D structures assez humbles, y compris des étoiles, des triangles et des faces de smiley. Ces objectifs, mesurant juste des milliardièmes d'un mètre de diamètre, peuvent seulement être vus avec la technologie de l'image sophistiquée, principalement, microscopie atomique de force (AFM). La technique d'origami d'ADN a depuis subi l'extension rapide, permettant le modèle et construction presque de tous deux arbitraires ou objectif en trois dimensions qu'un chercheur peut envisager.

L'avance rapide d'une telle technologie est due aux possibilités augmentées pour la construction d'ADN par l'intermédiaire de l'origami scaffolded d'ADN ainsi que de la sécurité et la stabilité de l'ADN dans les environnements physiologiques.

Mais tandis que les nanostructures auto-montent avec la fiabilité impressionnante, la phase de modèle réelle exigée pour concevoir les formes diverses a été complexe et hautement de main-d'oeuvre, en particulier le modèle de l'agrafe échoue nécessaire pour plier la longue boucle d'échafaudage à la géométrie d'objectif.

Cette opération est type traitée manuellement pour chaque forme géométrique, à l'aide du logiciel de visualisation, présentant une barrière significative dans le procédé. Le manque de règles de modèle systématique pour produire les boucles précises d'agrafe et l'échafaudage plié a signifié que la puissante technologie de l'origami d'ADN a été en grande partie réservée aux experts en la matière.

Le pliage a rendu facile

L'étude neuve offre une alternative entièrement robotisée qui permet le modèle de toute l'agrafe d'ADN ordonnance nécessaire pour plier n'importe quel objectif scaffolded d'origami de la libre-forme 2D ADN. Précédemment, les chercheurs avaient trouvé des moyens d'automatiser le modèle de boucle d'agrafe pour les structures 3D polygonales, mais la capacité de reproduire ceci avec les 2D nanoforms arbitraires a été évasive, jusqu'ici.

Pour le traitement automatisé, le créateur d'une 2D structure donnée effectue d'abord un retrait de dessin à main levée simple juste de la bordure extérieure de la forme désirée. Ce retrait est employé comme entrée, avec la structure interne du modèle déterminé automatiquement, utilisant l'algorithme spécialisé du programme. Dans une autre méthode, les géométries internes et externes complètes limite sont entraînées à main levée avec les lignes continues.

Utilisant l'un ou l'autre de technique, la 2D représentation géométrique ligne ligne est employée comme entrée pour l'algorithme qui exécute des routages automatiques d'échafaudage et d'agrafe, après quoi, les séquences d'ADN donnantes droit pour l'échafaudage et des boucles d'agrafe peuvent être commandées des débouchés, être mélangées dans une éprouvette selon une recette prescrite du chauffage et du refroidissement et auto-monter dans les structures de finition qui peuvent être conçues utilisant la représentation d'AFM.

Les deux approches fournissent à des non experts les moyens de synthétiser facilement des nanostructures complexes, aidant à avancer l'inducteur.

Entraînez-le, établissez-le !

L'étude explique le modèle robotisé de séquence de 15 objectifs irréguliers de modèle, comportant les géométries triangulaires de maille, de grand dos et de nid d'abeilles avec des paramètres variables de forme. Les chercheurs ont aboubé leur PERDIX algorithmique d'approche (routage eulérien programmé pour le modèle d'ADN utilisant des X-excédents), et le programme est à la disposition de la communauté de la recherche à : http://perdix-dna-origami.org

Le PERDIX est des moyens trompeusement simples et conviviaux de produire les 2D nanostructures d'ADN, qui seulement a été rendue possible après beaucoup d'années de test et erreur à la chair à l'extérieur complexe, règles généralisables de modèle, effectuant à conception assistée par ordinateur une réalité.

Le logiciel de dessin de PERDIX peut automatiquement convertir n'importe quel 2D modèle polygonal de maille en modèle pour un nanoform scaffolded d'ADN, utilisant le computer aided design simple (CAD). La simplicité et la vitesse du logiciel autorise des non spécialistes pour traduire pratiquement n'importe quelle 2D forme polygonale en modèle rempli requis « pour estamper » une 2D structure de nanomètre-écaille.

Comme la note d'auteurs, le programme de modèle permet templating personnalisé de nanomètre-écaille des molécules, y compris des teintures, des acides nucléiques, des protéines, et des nanocrystals de semi-conducteur. Les formes donnantes droit peuvent réussir à pénétrer leur des applications diverses dans le nanophotonics, le transport d'énergie de nanoscale, la détection biomoléculaire, la distribution intelligente de médicament, les études structurelles, et le grippement cellulaire.