Nuovo metodo per automazione degli origami del DNA

La natura ha fatto l'uso esagerato di una molecola semplice--DNA, il floorplan di tutta la vita terrena.

I ricercatori inventivi hanno usato gli stessi beni d'accoppiamento che saldano due fili di DNA nella doppia elica esperta per sviluppare le strutture utili innumerevoli al disgaggio di nanometro.

Un tale metodo, conosciuto come gli origami del DNA, ha dato negli ultimi anni i risultati ricchi, permettendo alla costruzione di un serraglio rapido crescente di 2 - e 3 oggetti dimensionali, con le applicazioni remote nella scienza dei materiali, in nanoelectronics, in fotoniche e nell'arena biomedica.

Nella nuova ricerca che compare nella questione attuale degli avanzamenti di scienza del giornale, Hao Yan ed i suoi colleghi, in collaborazione con gli scienziati al MIT, descrivono un metodo tenendo conto l'automazione della costruzione di origami del DNA, notevolmente accelerando e semplificando il trattamento di perfezionamento dei moduli desiderati e dell'apertura del mondo dell'architettura del DNA ad un più vasto pubblico.

“La progettazione di origami del DNA è venuto al tempo che ora possiamo ritirare liberamente un modulo e chiedere al computer per produrre che cosa è necessario sviluppare il modulo dell'obiettivo,„ Yan dice.

La varietà e la versatilità di nanoarchitectures del DNA hanno permesso alla loro domanda di circuiti logici e nanocomputers minuscoli, materiali avanzati con i beni unici, nanoelectronics e nanocircuitries e strutture che video i beni dinamici, compreso i nanotweezers, i camminatori nani e i nanorobots.

Nella ricerca recente, gli origami che del DNA i nanostructures hanno dimostrato la capacità di migliorare l'efficacia della chemioterapia, che diminuiscono gli effetti collaterali terapeutici e perfino che gestiscono la farmacoresistenza.

Yan dirige il centro di Biodesign per progettazione molecolare e Biomimetics ed è il professore di Milton D. Glick Distinguished nel banco delle scienze molecolari a ASU. Suo si unisce dai ricercatori Fei Zhang e Xiaodong Qi di Biodesign, con i colleghi piombo da prof. Mark Bathe dai dipartimenti dell'ingegneria biologica e chimica al MIT. Il gruppo di ASU contribuisce la loro competenza per convalidare la progettazione computata dal gruppo del MIT.

Moduli senza fine

La potenza degli origami strutturali del DNA si trova nella capacità del metodo di progettare e costruire una schiera dei moduli virtualmente illimitata, che auto-montano dai loro elementi. La tecnica di base comprende una lunghezza di DNA unico incagliato destinato elaborato per profilatura nelle forme desiderate con l'accoppiamento basso dei sui quattro nucleotidi gratuiti. per completare il nanoform, brevi segmenti del DNA da 20-60 nucleotidi di lunghezza--conosciuto come fili della graffetta--si aggiungono, agendo per appuntare la struttura profilatura dell'impalcatura sul posto base-accoppiando alle posizioni preselezionate (vedi l'animazione).

Inizialmente, gli origami del DNA sono stati usati per progettare le 2D strutture equo umili, compreso le stelle, i triangoli e le fronti di taglio di smiley. Questi oggetti, misuranti appena i billionths di un metro di diametro, possono essere veduti soltanto con tecnologia dell'immagine specializzata, principalmente, microscopia atomica della forza (AFM). La tecnica di origami del DNA da allora ha subito l'espansione rapida, permettendo la progettazione e costruzione di due quasi affatto arbitrari o oggetto che tridimensionale un ricercatore può prevedere.

L'avanzamento rapido di tale tecnologia è dovuto le possibilità ampliate per la costruzione del DNA via gli origami scaffolded del DNA come pure la sicurezza e la stabilità di DNA negli ambienti fisiologici.

Ma mentre i nanostructures auto-montano con l'affidabilità impressionante, la fase di progettazione reale richiesta per costruire i moduli vari è stata complessa ed altamente ad alto contenuto di manodopera, specialmente la progettazione della graffetta si incaglia necessario per profilatura il filo lungo dell'impalcatura alla geometria dell'obiettivo.

Questo punto è trattato tipicamente manualmente per ogni modulo geometrico, con l'aiuto del software di visualizzazione, presentante una transenna significativa nel trattamento. La mancanza di norme di progettazione sistematica per la produzione i fili accurati della graffetta e dell'armatura profilatura ha significato che la tecnologia potente degli origami del DNA in gran parte è stata riservata agli esperti in materia.

La piegatura ha reso facile

Il nuovo studio offre un'alternativa completamente automatizzata che permette la progettazione di tutta la graffetta del DNA ordina necessario per profilatura tutto l'oggetto scaffolded di origami del DNA del libero modulo 2D. Precedentemente, i ricercatori avevano inventato i modi di automatizzare la progettazione del filo della graffetta per le strutture poligonali 3D, ma la capacità di ripiegare questo con i 2D nanoforms arbitrari è stata evasiva, finora.

Per il trattamento automatizzato, il progettista di una 2D struttura data in primo luogo fa una trafilatura a mano libera semplice appena del confine esterno della forma desiderata. Questa trafilatura è usata come l'input, con la struttura interna della progettazione determinata automaticamente, facendo uso dell'algoritmo specializzato del programma. In un altro metodo, le geometrie interne ed esterne complete di limite sono a mano libera ritirato con le righe continue.

Facendo uso di qualsiasi tecnica, la 2D rappresentazione geometrica riga riga è usata come input per l'algoritmo che esegue i routing automatici della graffetta e dell'impalcatura, dopo di che, le sequenze risultanti del DNA per l'impalcatura ed i fili della graffetta possono essere ordinati dagli sbocchi commerciali, misti in una provetta secondo una ricetta prescritta del riscaldamento e di raffreddamento e auto-essere montati nelle strutture rifinite che possono essere visualizzate facendo uso della rappresentazione del AFM.

I due approcci forniscono ai non esperti i mezzi per sintetizzare facilmente i nanostructures complessi, contribuenti ad avanzare il campo.

Ritirilo, costruiscalo!

Lo studio dimostra la progettazione automatizzata di sequenza di 15 oggetti irregolari di progettazione, caratterizzante le geometrie triangolari della maglia, del quadrato e del favo con i parametri varianti di forma. I ricercatori hanno definito il loro PERDIX algoritmico di approccio (routing euleriano programmato per la progettazione del DNA facendo uso delle X-sporgenze) ed il programma è a disposizione della comunità di ricerca a: http://perdix-dna-origami.org

Il PERDIX è un modo ingannevolmente semplice e facile da usare della produzione dei 2D nanostructures del DNA, che soltanto è stata permessa dopo molti anni di approssimazioni successive a carne fuori complessa, norme generalizzabili di progettazione, rendente ad automazione di progettazione una realtà.

Il software di progettazione del PERDIX può convertire automaticamente tutta la 2D progettazione poligonale della maglia in cianografia per un nanoform scaffolded del DNA, facendo uso di progettazione assistita da elaboratore semplice (CAD). La semplicità e la velocità del software autorizza i non specialisti per tradurre virtualmente tutta la 2D forma poligonale in progettazione completata stata necessaria “per stampare„ una 2D struttura del nanometro-disgaggio.

Come la nota degli autori, il programma di progettazione permette templating su misura del nanometro-disgaggio delle molecole, compreso le tinture, gli acidi nucleici, le proteine e i nanocrystals a semiconduttore. I moduli risultanti possono riuscire a penetrare loro le applicazioni varie in nanophotonics, trasporto di energia del nanoscale, percezione biomolecolare, consegna intelligente della droga, studi strutturali e ad associazione basata a cella.