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Describimos el protocolo detallado para el montaje basado en origami ADN de nanobarras de oro en metamolecules plasmónica quirales con fuerte chiroptical respuestas. El Protocolo no se limita a configuraciones chiral y puede ser fácilmente adaptado para la fabricación de varias arquitecturas plasmónica.
El direccionamiento inherente de las estructuras de origami de ADN hace plantillas ideales para el arreglo de las nanopartículas metálicas en complejas nanoestructuras plasmónica. La alta precisión espacial de un conjunto con plantilla de origami de ADN permite controlar el acoplamiento entre la resonancia plasmónica de partículas individuales y permite la adaptación de propiedades ópticas de nanoestructuras construidas. Recientemente, sistemas plasmónica quirales atrajeron la atención debido a la fuerte correlación entre la configuración espacial de los conjuntos plasmónica y sus respuestas ópticas (por ejemplo, dicroísmo circular [CD]). En este protocolo, se describe el flujo de trabajo completo para la generación de asambleas quirales basados en origami de ADN de nanobarras de oro (AuNRs). El protocolo incluye una descripción detallada de los principios de diseño y procedimientos experimentales para la fabricación de plantillas de origami de ADN, la síntesis de AuNRs y el montaje de estructuras de AuNR origami. Además, se incluye la caracterización de estructuras mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia de la CD. El protocolo descrito no se limita a configuraciones chiral y puede ser adaptado para la construcción de varias arquitecturas plasmónica.
Nanoestructuras de ADN, origami de ADN en particular, han sido ampliamente utilizados para organizar moléculas y otros componentes a nanoescala (por ejemplo, las proteínas y nanopartículas [NPs]), con precisión de nanómetros en geometrías casi arbitrario1,2 , 3 , 4 , 5. la capacidad de arreglar metal NPs en plantillas de origami de la DNA con un alto rendimiento y precisión permite la fabricación de plasmónica estructuras con nuevas propiedades ópticas6,7,8, 9 , 10. técnica de origami de ADN es especialmente útil para la generación de estructuras plasmónica quirales, que requieren arquitecturas realmente tridimensional11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.
Este protocolo describe detalladamente todo el proceso de la fabricación de asambleas quirales con plantilla de origami de ADN de AuNRs. El software utilizado para el diseño21 y estructura predicción22,23 de origami de ADN es intuitiva y libremente disponible. La fabricación de origami y la síntesis de AuNR utilizan equipo común de laboratorio de bioquímica (p. ej., termocicladores, electroforesis en gel, placas, centrifugadoras). Las estructuras son caracterizadas usando la espectroscopia TEM y CD estándar.
La fabricación de nanoestructuras plasmónica similares con métodos de arriba hacia abajo (p. ej., litografía por haz de electrones) requeriría algo complicado y costoso equipo. Además, ADN origami plantillas proporcionan la posibilidad de incorporar reconfigurabilidad estructural en plasmónica asambleas24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, que es extremadamente difícil para las estructuras fabricadas con técnicas de litografía. En comparación con otros enfoques moleculares34,35,36,37, fabricación basada en el origami de ADN proporciona un alto nivel de precisión espacial y de programación.
1. diseño de origami de la DNA
2. montaje de las plantillas de origami de ADN
3. purificación de origami de ADN
Nota: Esta sección describe el protocolo para la purificación del gel de agarosa. Plantillas de origami de la DNA se pueden purificar mediante enfoques alternativos38,39.
4. síntesis de nanobarras de oro
Nota: El protocolo para síntesis de AuNR es adaptado de la anterior literatura40 con modificaciones menores.
5. funcionalización de nanobarras de oro con ADN
Nota: Esta sección describe el protocolo para funcionalización de AuNR con ADN monocatenario (ssDNA), siguiendo la ruta de llamada bajo pH adaptada de la anterior literatura42. El AuNRs cubiertos con el ADN son purificados por centrifugación; Alternativamente, puede realizarse la purificación mediante electroforesis en gel de agarosa.
6. montaje de nanobarras de oro en las plantillas de origami de ADN
7. imágenes de microscopia electrónica de transmisión
Nota: Este formato de uranilo (OVNI) protocolo de tinción es adaptado de la literatura anterior44.
8. medida circulares del dicroísmo
Imágenes TEM de plantillas de origami de la DNA, AuNRs y conjuntos de origami-AuNR final se muestran en la figura 4, figura 5y figura 6A, respectivamente. Debido a su preferencia de unión a rejillas TEM, origami AuNR asambleas son vistos generalmente como paquetes de origami paralelas y barras (figura 6A). Recocido térmico es necesario para la correcta alineación de AuNRs en las plantillas de origami (figura 6A, B). El protocolo permite altos rendimientos de la Asamblea de AuNRs en metamolecules quirales con respuestas fuertes plasmónica de CD (figura 7).
Temperatura (° C) | hora |
80 | 15 min |
79 - 71 | 1 ° C/1 minuto |
70 - 66 | 1 ° C/5min |
65 - 60 | 1 ° C/30 min |
59 - 37 | 1 ° C/60 min |
36 - 30 | 1 ° C/15 min |
29 - 20 | 1 ° C/5min |
20 | Mantenga |
Tabla 1: Temperaturas y tarifas para el recocido térmico de plantillas de origami de la DNA.
Temperatura (° C) | Tiempo (min) |
40 | 130 |
36 | 180 |
32 | 180 |
22 | Mantenga |
Tabla 2: temperaturas y tiempos de espera para el recocido de AuNRs y ADN plantillas de origami. La velocidad de enfriamiento entre los pasos se establece en 0,1 ° C por minuto. Las muestras de ADN origami AuNR se recuecen agitando a 400 rpm.
Figura 1 : Diseño de ADN origami plantillas quirales metamolecules. (A) identificar la disposición espacial relativa deseada de nanobarras de oro (AuNRs) y una forma conveniente de la plantilla del origami de ADN. (B) estimar los parámetros estructurales de la AuNRs (DAuNR, LAuNR) y la plantilla del origami (origamide W, Lorigami, Θ). Localizar la posición aproximada de las grapas que necesitan modificación. (C) diseño de plantillas de origami de la DNA usando caDNAno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : La electroforesis de gel de agarosa de origami. (A) purificación con electroforesis de gel de agarosa al 1% por 2 h a 80 V. (B) caracterización con electroforesis en agarosa al 2% durante 4 h a 80 V. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : La purificación de electroforesis en gel de agarosa de origami-AuNRs. Gel (0,7%) se corren por 3,5 h 80 V para las muestras preparadas siguiendo el procedimiento de montaje con diferentes ratios de AuNR ADN de origami (20:1, 5:1) y las muestras (proporción de DNA AuNRs para origami 10:1) con o sin procedimiento de recocido. Imágenes de TEM de las muestras en las bandas 1, 2 y 3, véase la figura 6. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 : Imagen de TEM representante de las plantillas de origami de la DNA. La estructura del origami consiste en dos paquetes de la hélice 14 (80 nm x 16 nm x 8 nm) Unidos entre sí por el filamento de andamio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 : Imagen de TEM representante de la AuNRs. Las dimensiones promedio de AuNRs sintetizados son 70 x 30 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6 : Imágenes TEM de origami-AuNR asambleas. (A) AuNR dímeros de origami después de recocer (banda 1 en la figura 3). (B) AuNR dímeros en origami sin el recocido (banda 2 en la figura 3). (C) Origami-AuNR agregados (banda 3 en la figura 3). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7 : Espectros de CD de las Asambleas de origami-AuNR. Los espectros de CD de las estructuras cerradas (las plantillas de origami fijadas por los filamentos de la cerradura en una configuración de diestra, con 50° entre los dos paquetes de origami) y la estructura abierta (las plantillas de origami sin hilos de la cerradura). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El Protocolo introduce el flujo de trabajo completo de diseño, montaje, purificación y caracterización de asambleas quirales basados en origami de ADN de AuNRs. Las plantillas de origami de ADN utilizadas en el protocolo son especialmente adecuadas para la fabricación de conjuntos de estímulos-respuesta. Varios tipos de respuestas y functionalizes pueden ser incorporados en los filamentos de la cerradura que definen el estado quiral de origami plantilla (figura 1B)24,25,26,31. Para montajes estáticos, plantillas más sencillas en forma de bloque son a menudo suficientes14,45,46,47.
El ADN origami enfoque basado en la fabricación de nanoestructuras plasmónica hereda limitaciones del ADN origami técnica48. El tamaño de las plantillas de origami es normalmente limitado por el tamaño del filamento del andamio. La estabilidad de las estructuras de ADN se reduce bajo condiciones ley sal. El costo de la grapa sintético hebras sigue siendo bastante alto. Sin embargo, se espera que los acontecimientos recientes en el campo de la nanotecnología de ADN estructural para superar estas limitaciones49,50,51,52,53,54 , 55.
En comparación con otros enfoques moleculares para la generación de asambleas quirales de AuNRs34,35,36,37, origami de ADN proporciona un alto nivel de precisión espacial y de programación.
Para lograr respuestas ópticas fiables y reproducibles de asambleas quirales, se recomienda adaptar los protocolos de AuNR síntesis40, ya que la calidad y propiedades ópticas de los productos comerciales pueden variar entre lotes. Adicional recocido (paso 6.2) es a menudo crucial para asegurar la correcta fijación de AuNRs a plantillas de origami de ADN (figura 6).
Por último, el protocolo descrito aquí no se limita a asambleas quirales. Origami de ADN proporciona una plataforma muy flexible para la fabricación de nanoestructuras plasmónica complejo9,10.
Los autores no tienen nada que revelar.
Los autores agradecen a S. Voutilainen su asistencia con el espectrómetro del CD. Los autores reconocen la prestación de servicios y soporte técnico por la Universidad de Aalto en OtaNano - Nanomicroscopy centro (Aalto-NMC). Este trabajo fue apoyado por la Academia de Finlandia (grant 308992) y programa de investigación e innovación a los horizonte 2020 de la Unión Europea bajo Marie Skłodowska-Curie conceder acuerdo Nº 71364.
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 |
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