Método novo para a automatização do origâmi do ADN

A natureza fez o uso extravagante de uma molécula simples--ADN, o floorplan de toda a vida terrestre.

Os pesquisadores inventivos usaram as mesmas propriedades deemparelhamento que ligam duas costas do ADN na hélice dobro familiar para construir estruturas úteis inumeráveis na escala do nanômetro.

Um tal método, conhecido como o origâmi do ADN, tem rendido resultados ricos nos últimos anos, permitindo a construção de uma mistura variada ràpida crescente de 2 - e 3 objetos dimensionais, com aplicações longínquos na ciência material, no nanoelectronics, no photonics e na arena biomedicável.

Na pesquisa nova que aparece na introdução actual dos avanços da ciência do jornal, Hao Yan e seus colegas, em colaboração com cientistas no MIT, descrevem um método permitindo a automatização da construção do origâmi do ADN, vastamente acelerando e simplificando o processo de crafting formulários desejados, e de abrir o mundo da arquitetura do ADN a uma audiência mais larga.

Do “o projecto do origâmi ADN veio ao tempo que nós agora podemos desenhar um formulário livremente e para pedir o computador para output o que é necessário construir o formulário do alvo,” Yan diz.

A variedade e a versatilidade de nanoarchitectures do ADN permitiram seu pedido para portas de lógica e nanocomputers minúsculos, materiais avançados com propriedades originais, nanoelectronics e nanocircuitries e estruturas que indicam as propriedades dinâmicas, incluindo nanotweezers, caminhantes nano e nanorobots.

Na pesquisa recente, o origâmi que do ADN os nanostructures demonstraram a capacidade para melhorar a eficácia da quimioterapia, reduzem efeitos secundários terapêuticos e controlam mesmo a resistência de droga.

Yan dirige o centro de Biodesign para o projecto molecular e o Biomimetics e é o professor de Milton D. Glick Distinto na escola de ciências moleculars em ASU. Seu é juntado por pesquisadores Fei Zhang e Xiaodong Qi de Biodesign, junto com os colegas conduzidos pelo prof. Marcação Banho dos departamentos da engenharia biológica e química no MIT. A equipe de ASU contribui sua experiência para validar o projecto computado pela equipe do MIT.

Formulários infinitos

A potência do origâmi estrutural do ADN encontra-se na capacidade do método projectar e construir uma disposição virtualmente ilimitada de formulários, que auto-montam de seus elementos. A técnica básica envolve um comprimento do ADN único-encalhado projetado dobrar-se elaborada em formas desejadas com do emparelhamento baixo de seus quatro nucleotides elogiosos. Para terminar de comprimento o nanoform, segmentos curtos do ADN de 20-60 nucleotides--sabido como costas do grampo--são adicionados, actuando para fixar a estrutura dobrada do andaime no lugar base-emparelhando em lugar pre-selecionados (veja a animação).

Inicialmente, o origâmi do ADN foi usado para projectar as 2D estruturas razoavelmente humildes, incluindo estrelas, triângulos e faces do smiley. Estes objetos, medindo apenas billionths de um medidor no diâmetro, podem somente ser considerados com tecnologia imagiológica sofisticada, principalmente, microscopia atômica da força (AFM). A técnica do origâmi do ADN tem-se submetido desde à expansão rápida, permitindo o projecto e construção de dois quase arbitrários ou objeto que tridimensional um pesquisador pode prever.

O avanço rápido de tal tecnologia é devido às possibilidades expandidas para a construção do ADN através do origâmi scaffolded do ADN assim como da segurança e a estabilidade do ADN em ambientes fisiológicos.

Mas quando os nanostructures auto-montarem com confiança impressionante, a fase de projecto real exigida para projectar os formulários variados foi complexa e altamente trabalho-intensivo, particularmente o projecto do grampo encalha necessário para dobrar a costa longa do andaime à geometria do alvo.

Esta etapa é segurada tipicamente manualmente para cada formulário geométrico, com o auxílio do software de visualização, apresentando um obstáculo significativo no processo. A falta de regras do projecto sistemático para produzir costas exactas do grampo e o andaime dobrado significou que a tecnologia poderosa do origâmi do ADN foi pela maior parte reservado para peritos no campo.

A dobradura fez fácil

O estudo novo oferece uma alternativa inteiramente automatizada que permita o projecto de todas as seqüências do grampo do ADN necessários dobrar todo o 2D objeto scaffolded de forma livre do origâmi do ADN. Previamente, os pesquisadores tinham planejado maneiras de automatizar o projecto da costa do grampo para as estruturas 3D poligonais, mas a capacidade para replicate isto com 2D nanoforms arbitrários foi indescritível, até aqui.

Para o processo automatizado, o desenhista de uma 2D estrutura dada faz primeiramente um desenho a mão livre simples apenas da beira exterior da forma desejada. Este desenho é usado como a entrada, com a estrutura interna do projecto determinado automaticamente, usando o algoritmo especializado do programa. Em um método alternativo, as geometria internas e externos completas do limite são a mão livre desenhado com linhas contínuas.

Usando uma ou outra técnica, a 2D representação geométrica linha-baseada é usada como a entrada para o algoritmo que executa roteamentos automáticos do andaime e do grampo, depois do qual, as seqüências resultantes do ADN para o andaime e as costas do grampo podem ser pedidas das tomadas comerciais, ser misturadas em um tubo de ensaio de acordo com uma receita prescrita do aquecimento e de refrigerar e auto-ser montadas nas estruturas terminadas que podem ser visualizadas usando a imagem lactente do AFM.

As duas aproximações fornecem não-peritos os meios sintetizar facilmente os nanostructures complexos, ajudando a avançar o campo.

Desenhe-o, construa-o!

O estudo demonstra o projecto automatizado da seqüência de 15 objetos irregulares do projecto, caracterizando geometria triangulares da malha, do quadrado e do favo de mel com parâmetros de variação da forma. Os pesquisadores dublaram seu PERDIX algorítmico da aproximação (roteamento Eulerian programado para o projecto do ADN usando X-excessos), e o programa está disponível à comunidade de pesquisa em: http://perdix-dna-origami.org

O PERDIX é uns meios deceptively simples e de fácil utilização de produzir 2D nanostructures do ADN, que foi tornada somente possível após muitos anos de tentativa e erro à carne para fora complexa, regras que se pode generalizar do projecto, fazendo a automatização de projecto uma realidade.

O software do projecto do PERDIX pode automaticamente converter todo o 2D projecto poligonal da malha em um modelo para um nanoform scaffolded do ADN, usando desenhos assistidos por computador simples (CAD). A simplicidade e a velocidade do software autorizam não-especialistas para traduzir virtualmente toda a 2D forma poligonal em um projecto terminado necessário “para imprimir” uma 2D estrutura da nanômetro-escala.

Como a nota dos autores, o programa do projecto permite templating personalizado da nanômetro-escala das moléculas, incluindo tinturas, ácidos nucleicos, proteínas, e nanocrystals do semicondutor. Os formulários resultantes podem encontrar sua maneira em aplicações variadas no nanophotonics, no transporte da energia do nanoscale, na detecção biomolecular, na entrega inteligente da droga, em estudos estruturais, e no emperramento baseado em celulas.