Nuevo método para la automatización de la papiroflexia de la DNA

La naturaleza ha hecho uso extravagante de una molécula simple--DNA, el floorplan de toda la vida terrestre.

Los investigadores inventivos han utilizado las mismas propiedades base-que emparejaban que pegan dos cabos de DNA en el doble hélice familiar para construir las estructuras útiles innumerables en la escala del nanómetro.

Un tal método, conocido como papiroflexia de la DNA, ha rendido resultados ricos estos últimos años, habilitando la construcción de una casa de fieras rápidamente creciente de 2 - y los objetos de 3 dimensiones, con usos extensos en ciencia material, nanoelectronics, photonics y la arena biomédica.

En la nueva investigación que aparece en la aplicación actual los avances de la ciencia del gorrón, Hao Yan y sus colegas, en colaboración con científicos en el MIT, describen un método teniendo en cuenta la automatización de la construcción de la papiroflexia de la DNA, sumamente acelerando y simplificando el proceso de hacer formas a mano deseadas, y de abrir el mundo de la configuración de la DNA en una audiencia más amplia.

“El diseño de la papiroflexia de la DNA ha venido al tiempo que ahora podemos drenar una forma libremente y pedir la computador para hacer salir cuál es necesaria construir la forma del objetivo,” Yan dice.

La variedad y la flexibilidad de los nanoarchitectures de la DNA han habilitado su uso para las entradas de lógica y los nanocomputers minúsculos, los materiales avanzados con las propiedades únicas, nanoelectronics y los nanocircuitries y las estructuras que visualizaban propiedades dinámicas, incluyendo nanotweezers, caminante nanos y nanorobots.

En la investigación reciente, la papiroflexia de la DNA que los nanostructures han demostrado la capacidad de perfeccionar la eficacia de la quimioterapia, que reduce efectos secundarios terapéuticos e incluso que maneja resistencia a los medicamentos.

Yan dirige el centro de Biodesign para el diseño molecular y Biomimetics y es el profesor de Milton D. Glick Distinguished en la escuela de ciencias moleculares en ASU. El suyo es ensamblado por los investigadores Fei Zhang y Xiaodong Qi de Biodesign, junto con los colegas llevados por profesor Mark Bathe de los departamentos de la ingeniería biológica y química en el MIT. Las personas de ASU contribuyen su experiencia para validar el diseño calculado por las personas del MIT.

Formas sin fin

La potencia de la papiroflexia estructural de la DNA miente en la capacidad del método de diseñar y de construir un arsenal virtualmente ilimitado de las formas, que uno mismo-montan de sus piezas. La técnica básica implica un largo de la DNA de una sola fila diseñado elaboradamente para doblar en formas deseadas con emparejar bajo de sus cuatro nucleótidos elogiosos. Para terminar el nanoform, segmentos cortos de la DNA a partir de 20-60 nucleótidos de largo--conocido como cabos de la grapa--son agregados, actuando para fijar la estructura doblada del andamio en el lugar base-emparejando en las situaciones pre-seleccionadas (véase la animación).

Inicialmente, la papiroflexia de la DNA fue utilizada para diseñar las 2.as estructuras bastante humildes, incluyendo las estrellas, los triángulos y las caras del smiley. Estos objetos, midiendo apenas billionths de un contador en diámetro, se pueden considerar solamente con tecnología de la imagen sofisticada, principalmente, microscopia atómica de la fuerza (AFM). La técnica de la papiroflexia de la DNA ha experimentado desde entonces la extensión rápida, permiso el diseño y construcción de dos casi arbitrarios u objeto tridimensional que un investigador puede prever.

El avance rápido de tal tecnología es debido a las posibilidades desplegadas de la construcción de la DNA vía papiroflexia scaffolded de la DNA así como el seguro y de la estabilidad de la DNA en ambientes fisiológicos.

Pero mientras que los nanostructures uno mismo-montan con confiabilidad impresionante, la fase de diseño real requerida para dirigir las formas variadas ha sido compleja y altamente necesitando mucho trabajo, determinado el diseño de la grapa trenza necesario para doblar el cabo largo del andamio a la geometría del objetivo.

Este paso se maneja típicamente manualmente para cada forma geométrica, con el socorro del software de visualización, presentando un obstáculo importante en el proceso. La falta de reglas del diseño sistemático para producir cabos exactos de la grapa y el andamio doblado ha significado que la tecnología potente de la papiroflexia de la DNA se ha reservado en gran parte para los expertos en la materia.

El plegamiento hizo fácil

El nuevo estudio ofrece una opción completo automatizada que permiso el diseño de toda la grapa de la DNA ordene necesario para doblar cualquier 2.o objeto scaffolded de la papiroflexia de la DNA de la libre-forma. Previamente, los investigadores habían ideado maneras de automatizar el diseño del cabo de la grapa para las estructuras poligonales 3D, pero la capacidad de replegar esto con los 2.os nanoforms arbitrarios ha sido evasiva, hasta ahora.

Para el proceso automatizado, el proyectista de una 2.a estructura dada primero hace un gráfico a pulso simple apenas de la banda exterior de la forma deseada. Este gráfico se utiliza como la entrada, con la estructura interna del diseño determinado automáticamente, usando el algoritmo especializado del programa. En otra método, las geometrías internas y externas completas del límite se drenan a pulso con las líneas contínuas.

Usando cualquier técnica, la 2.a representación geométrica línea-basada se utiliza como entrada para el algoritmo que realiza encaminamientos automáticos del andamio y de la grapa, después de lo cual, las series resultantes de la DNA para el andamio y los cabos de la grapa se pueden pedir de los mercados, mezclar en un tubo de ensayo según una receta prescrita de la calefacción y del enfriamiento y uno mismo-montar en las estructuras acabadas que se pueden visualizar usando proyección de imagen del AFM.

Las dos aproximaciones proveen de no experto los medios de sintetizar fácilmente los nanostructures complejos, ayudando a avance el campo.

¡Drénelo, constrúyalo!

El estudio demuestra el diseño automatizado de la serie de 15 objetos irregulares del diseño, ofreciendo geometrías triangulares de la malla, del cuadrado y del panal con parámetros diversos de la forma. Los investigadores han aparado su PERDIX algorítmico de la aproximación (encaminamiento euleriano programado para el diseño de la DNA usando X-excedentes), y el programa está disponible para la comunidad de investigación en: http://perdix-dna-origami.org

El PERDIX es medios engañoso simples y conviviales de producir los 2.os nanostructures de la DNA, que solamente se ha hecho posible después de muchos años de ensayo y error a la carne compleja, reglas generalizables del diseño, haciendo automatización de diseño una realidad.

El software del diseño del PERDIX puede convertir automáticamente cualquier 2.o diseño poligonal de la malla en una heliografía para un nanoform scaffolded de la DNA, usando diseño automatizado simple (CAD). La simplicidad y la velocidad del software autoriza a no especialistas para traducir virtualmente cualquier 2.a forma poligonal a un diseño terminado necesario “para imprimir” una 2.a estructura de la nanómetro-escala.

Como la nota de los autores, el programa del diseño permiso templating modificado para requisitos particulares de la nanómetro-escala de moléculas, incluyendo los tintes, los ácidos nucléicos, las proteínas, y los nanocrystals del semiconductor. Las formas resultantes pueden encontrar su manera en usos variados en nanophotonics, transporte de la energía del nanoscale, detectar biomolecular, lanzamiento inteligente de la droga, estudios estructurales, y el atascamiento célula-basado.