Method Article
Les auteurs décrivent le protocole détaillé pour l’assemblage d’axée sur l’origami en ADN des nanotiges en or en chiraux plasmoniques metamolecules avec forte chiroptiques réponses. Le protocole n’est pas limité aux configurations chirale et peut être facilement adapté pour la fabrication de diverses architectures plasmoniques.
L’adressabilité inhérente de structures origami ADN rend les modèles idéales pour l’organisation de nanoparticules métalliques dans des nanostructures plasmoniques complexes. La haute précision spatiale d’un assembly basé sur un modèle origami ADN permet de contrôler le couplage entre les résonances plasmoniques des particules individuelles et permet d’adapter les propriétés optiques des nanostructures construites. Récemment, les systèmes plasmoniques chirales a attiré beaucoup d’attention en raison de la forte corrélation entre la configuration spatiale des assemblys plasmoniques et leurs réponses optiques (p. ex., le dichroïsme circulaire [CD]). Dans ce protocole, nous décrivons le workflow entier pour la production d’ADN axée sur l’origami chirale assemblées des nanotiges en or (AuNRs). Le protocole inclut une description détaillée des principes de conception et les procédures expérimentales pour la fabrication des gabarits d’origami ADN, la synthèse de AuNRs et l’assemblage des structures de l’origami-AuNR. En outre, la caractérisation des structures à l’aide de la microscopie électronique à transmission (TEM) et spectroscopie de CD est incluse. Le protocole décrit n’est pas limité aux configurations chirale et peut être adapté pour la construction de diverses architectures plasmoniques.
ADN nanostructures, origami ADN en particulier, ont été largement utilisées pour organiser des molécules et des autres composants nanométriques (par exemple, les protéines et les nanoparticules [IP]), avec précision nanométrique dans des géométries presque arbitraire1,2 , 3 , 4 , 5. la capacité à organiser de NPs métalliques sur les modèles d’origami ADN avec un rendement élevé et la précision permet la fabrication de structures plasmoniques avec nouvelles propriétés optiques6,7,8, 9 , 10. technique de l’origami ADN s’avère particulièrement utile pour la génération de structures plasmoniques chiraux, nécessitant des architectures véritablement tridimensionnelle11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.
Ce protocole décrit en détail l’ensemble du processus de la fabrication d’assemblages chiraux modèles origami ADN AuNRs. Le logiciel utilisé pour le design21 et structure prediction22,23 de l’origami ADN est intuitive et disponible gratuitement. La fabrication de l’origami et la synthèse de AuNR utilisent commune matériel de laboratoire de biochimie (p. ex., thermocycleurs, électrophorèse, plaques chauffantes, centrifugeuses, etc.). Les structures sont caractérisés par spectroscopie de TEM et CD standard.
La fabrication de nanostructures plasmoniques similaires avec des méthodes de haut en bas (par exemple, lithographie à faisceau d’électrons) nécessiterait l’équipement assez compliqué et coûteux. En outre, ADN origami modèles fournissent la possibilité d’incorporer la reconfigurabilité structurelle dans les assemblys plasmoniques24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, qui est extrêmement difficile pour les structures fabriquées avec des techniques de lithographie. Par rapport aux autres approches moléculaires34,35,36,37, fabrication de base origami ADN fournit un niveau élevé de précision spatiale et programmabilité.
1. conception de l’origami ADN
2. montage des modèles origami ADN
3. purification d’origami ADN
Remarque : Cette section décrit le protocole pour la purification de gel d’agarose. Modèles d’origami ADN peuvent également être purifiés à l’aide de moyens38,,39.
4. synthèse des nanotiges en or
Remarque : Le protocole pour la synthèse de AuNR est adapté du précédent littérature40 avec des modifications mineures.
5. la fonctionnalisation des nanotiges en or avec l’ADN monocaténaire
Remarque : Cette section décrit le protocole pour la fonctionnalisation AuNR avec l’ADN simple brin (ssDNA), suivant la route dite faible pH adaptée du précédent littérature42. Les AuNRs recouverts d’ADN sont purifiés par centrifugation ; Alternativement, la purification peut être effectuée à l’aide de gel d’agarose.
6. montage des nanotiges en or sur les modèles d’origami ADN
7. imagerie de microscopie électronique de transmission
Remarque : Cette formiate d’uranyle (UFo) souillant le protocole est adapté du précédent littérature44.
8. mesure de dichroïsme circulaire
Images TEM de modèles d’origami ADN, AuNRs et final origami-AuNR assemblées sont indiquées dans la Figure 4, Figure 5et Figure 6A, respectivement. En raison de leur préférence de liaison aux grilles TEM, origami-AuNR assemblées sont généralement vus comme faisceaux parallèles origami et tiges (Figure 6A). Recuit thermique est nécessaire pour l’alignement correct des AuNRs sur les modèles d’origami (Figure 6A, B). Le protocole permet des rendements élevés de l’assemblage de AuNRs dans metamolecules chiraux avec de fortes réponses de CD plasmoniques (Figure 7).
Température (° C) | Temps |
80 | 15 min |
79 - 71 | 1 ° C/1 min |
70 - 66 | 1 ° C/5 min |
65 - 60 | 1 ° C/30 min |
59 - 37 | 1 ° C/60 min |
36 - 30 | 1 ° C/15 min |
29 - 20 | 1 ° C/5 min |
20 | Maintenez |
Tableau 1 : Les températures et les tarifs pour le recuit des gabarits d’origami ADN.
Température (° C) | Temps (min) |
40 | 130 |
36 | 180 |
32 | 180 |
22 | Maintenez |
Tableau 2 : températures et durées de détention pour le recuit des modèles d’origami ADN et AuNRs. Le taux de refroidissement entre les échelons est fixé à 0,1 ° C/min. Les échantillons d’ADN origami-AuNR sont recuits en agitant à 400 tr/min.
Figure 1 : Conception d’ADN basé sur un modèle origami chiral metamolecules. (A) identifier la disposition spatiale relative souhaitée des nanotiges en or (AuNRs) et une forme convenable de la matrice d’ADN origami. (B) estimer les paramètres structuraux de la AuNRs (DAuNR, LAuNR) et le modèle d’origami (origamide la W, Lorigami, Θ). Localiser la position approximative des agrafes qui ont davantage besoin de modification. (C) conception des gabarits d’origami ADN à l’aide de caDNAno. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : L’électrophorèse de gel d’agarose de l’origami. Purification (A) avec 1 % gel d’agarose pendant 2 h à 80 c. caractérisation (B) avec 2 % gel d’agarose de 4 h à 80 c. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : La purification de l’électrophorèse sur gel d’agarose d’origami-AuNRs. Gel (0,7 %) a été exécuté pendant 3,5 h à 80 V pour les échantillons préparés conformément à la procédure de l’Assemblée avec les différents rapports d’ADN-AuNR-à-origami (20:1, 5:1) et (rapport d’ADN-AuNRs-à-origami de 10:1) avec ou sans procédure de recuit. Pour les images TEM des échantillons dans les bandes 1, 2 et 3, voir la Figure 6. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Image de TEM représentant des modèles origami ADN. La structure de l’origami se compose de deux faisceaux 14-hélice (80 nm x 16 nm x 8 nm) reliés entre eux par le brin d’échafaudage. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Image représentant TEM de la AuNRs. Les dimensions moyennes de AuNRs synthétisés sont 70 x 30 nm. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Images TEM des assemblées de l’origami-AuNR. (A) AuNR dimères sur origami après recuit (bande 1 sur la Figure 3). (B) AuNR dimères sur origami sans recuit (bande 2 dans la Figure 3). (C) Origami-AuNR agrégats (bande 3 à la Figure 3). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Spectres CD des assemblées origami-AuNR. Les spectres de DC des structures fermées (les modèles d’origami fixés par blocage brins dans une configuration droite, avec 50° entre deux faisceaux d’origami) et la structure ouverte (les modèles d’origami sans serrure brins). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Le protocole introduit le workflow entier de conception, assemblage, purification et caractérisation d’ADN axée sur l’origami chirale assemblées de AuNRs. Les modèles d’origami ADN utilisés dans le protocole sont particulièrement adaptés pour la fabrication d’assemblages sensibles aux stimuli. Différents types de réponses et functionalizes peuvent être incorporés dans les brins de verrouillage qui définissent l’état chiraux de l’origami gabarit (Figure 1B)24,25,26,31. Pour les assemblys statiques, des modèles plus simples en forme de bloc sont souvent suffisamment14,45,46,47.
L’approche fondée sur les origami ADN la fabrication de nanostructures plasmoniques hérite des limitations de l’ADN origami technique48. La taille des modèles origami est généralement limitée par la taille de la mèche de l’échafaudage. La stabilité des structures de l’ADN est réduite dans les conditions de droit-sel. Le coût de l’aliment de base synthétique fils reste assez élevé. Toutefois, des développements récents dans le domaine de la nanotechnologie d’ADN structurelle devraient surmonter ces limitations49,50,51,52,,du5354 , 55.
Par rapport aux autres approches moléculaires pour générer des assemblys chiraux de AuNRs34,35,36,37, origami ADN fournit un niveau élevé de précision spatiale et programmabilité.
Pour parvenir à des réponses optiques fiables et reproductibles des assemblys chiraux, nous recommandons fortement d’adapter les protocoles pour AuNR synthèse40, puisque la qualité et les propriétés optiques des produits commerciaux peuvent varier entre les lots. Recuit (étape supplémentaire 6.2) est souvent cruciale pour assurer la fixation correcte de AuNRs aux modèles d’origami ADN (Figure 6).
Enfin, le protocole décrit ici n’est pas limité aux assemblys chiraux. Origami ADN fournit une plate-forme très flexible pour la fabrication de nanostructures plasmoniques complexes9,10.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Les auteurs remercient Voutilainen S. pour son aide avec spectromètre de CD. Les auteurs reconnaissent la fourniture d’installations et de support technique de l’Université Aalto à OtaNano - Nanomicroscopy Center (NMC-Aalto). Ce travail a été soutenu par l’Académie de Finlande (308992 de concession) et programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne sous le Marie Skłodowska-Curie convention no 71364 de subvention.
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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