מתקפל ואפיון של רובוט ביו-תגובה מה- DNA אוריגמי

Summary

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here we describe a protocol for the folding of a bio-responsive robot from DNA origami, its purification and negative staining for transmission electron microscopic imaging (TEM).

Abstract

Nanorobot DNA הוא מכשיר חלול משושה ננומטריים, שנועד לפתוח בתגובה לגירויים ספציפיים ובהווה מטען מוחרם בפנים. ניתן להתאים גירויים ומטען שני בהתאם לצרכים ספציפיים. כאן אנו מתארים את פרוטוקול ייצור nanorobot DNA, עם השימוש בטכניקת אוריגמי DNA. ההליך יוזם על ידי ערבוב סיכות DNA חד-גדיל קצרים לתערובת מניות אשר לאחר מכן הוסיפה לפיגום ארוך, עגול, אחד גדיל DNA בנוכחותו של חיץ מתקפל. Cycler תרמו סטנדרטי מתוכנת להוריד את טמפרטורת תגובת ערבוב בהדרגה כדי להקל על חישול סיכות ל- פיגום, שהוא הכוח המנחה מאחורי הקיפול של nanorobot. ברגע שהתגובה מתקפל 60 שעות שלמה, סיכות עודפות מבוטלים באמצעות מסנן צנטריפוגלי, ואחריו להדמיה באמצעות אלקטרופורזה agarose-ג'ל (גיל). לבסוף, ייצור מוצלח של nanorobot מאומת על ידי מיקרוסקופי אלקטרונים הילוכים (TEM),עם השימוש בuranyl-formate ככתם שלילי.

Introduction

השימושים לננוטכנולוגיה חומצות גרעין הם מדהימים. נְהִילוּת של זיווג הבסיס ווטסון-קריק, כמו גם את הקלות והבעלות נמוכה היחסית של סינתזה בקנה מידה גדולה של oligos מחוייט ² ניב פרץ של יישומים ³ ומחקר בתחום הננו-טכנולוגיה ה- DNA. המבנית DNA ננוטכנולוגיה, המבוססת על ^4,5 צומת Seeman הנייחת כאבן בניין בסיסית עושה שימוש בדנ"א כיחידה יסודי הרכבה עצמית לבניית צורות שרירותיות ^6-8.

הפיתוח האחרון של טכניקת אוריגמי ⁹ DNA הפיגומים מאפשר לבניית ננו-ארכיטקטורות 2D / 3D המורכבות ^10-12 עם דיוק תת-ננומטר והוא מסלול יעיל לבניית אובייקטים פונקציונליים חדשים עם מורכבות גוברים וגיוון מדהים. תהליך הבנייה מבוסס על ה- DNA חד גדילי פיגום ארוך, בדרך כלל נגזר מgenom נגיפידואר, אשר יכול להיות מקופל באמצעות ההכלאה של מאות oligos DNA הגדיל הבודד הקצר כינה סיכות. הרזולוציה הגבוהה המבנית מתקבלת על ידי טכניקה זו היא התוצאה הישירה של הממדים הטבעיים של סליל הדנ"א הכפול, תוך שחזור של ייצור הוא התוצאה של התאמת רצפי מצרך יחיד גדיל הקצר כדי להקל על השלמת מימן מליטה המרבית השגה. עם השימוש של חישול בטמפרטורה איטי רמפה הנמוכה ביותר באנרגיה המיועדת, thermodynamically ננו-המבנה העדיף הוא הגיע בתשואות ונאמנות גבוהות. היישום קל של כללי עיצוב צומת בקוד מחשב אפשר הפיתוח של כלים CAD, כגון ¹³ caDNAno, שמאוד לפשט את המשימה של תכנון מבנים גדולים, מורכבים המכילים מאות צמתים מחוברות.

בעבר תאר את העיצוב של nanorobot DNA בעזרת כלי ^14,15 caDNAno. כאן אנו מציגים את הייצור והדמיה, באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), של nanorobot, nanodevice משושה החלול 3D, עם ממדים של 35 x 35 x 50 ³ ננומטר, שנועדו לעבור שינוי קונפורמציה גדול בתגובה לגירויים שנקבעו מראש ומטען ספציפי נוכחי, כגון חלבונים או oligos חומצות גרעין, מוחרם בפנים. בעוד 12 תחנות טעינה זמינות בתוך המארז החלול, המספר האמיתי של מטען קשור שונה עם גודל מטען. מולקולות מטען נעות בין מולקולות DNA קטנות לאנזימים, נוגדנים ו5-10 חלקיקי זהב ננומטר. Cargocan או להיות אחיד או הטרוגנית, כך שכל nanorobot מכיל תערובת של מולקולות שונות. חישה מושגת באמצעות שני עיצוב שערי נעילת סליל כפול לחוש חלבונים, חומצות גרעין או כימיקלים אחרים, המבוססת גם על aptasensor עקירת ^16,17 או גדיל DNA ¹⁸ טכנולוגיות. ההתפתחויות אחרונות בפרוטוקולי בחירת aptamer ^19-21 לאפשר העיצוב של nanorobots להגיבלמגוון הולך וגדל של מולקולות ותאים מסוגים.

העבודה קודמת הראתה nanorobot נושא נוגדנים ספציפיים, אשר על הכריכה לאנטיגן שלה יכולה להעביר גם אות פורה לחלק הפנימי של סוגי תאים מסוימים באוכלוסיית תאים מעורבת ¹⁵ מעכבת או. תכונה מרגשת של ננו-התקנים אלה היא היכולת שלהם לבצע אפילו יותר משימות מורכבות ושליטה היגיון עם ההקדמה של תת nanorobot שונה באוכלוסייה אחת. לאחרונה הפגינו תת-סוגים ספציפיים של nanorobots ביצוע כמו גם רגולטורים חיוביים או שליליים, השליטה אוכלוסיית מפעיל המכילה מולקולת מטען פעילה ^22.

הפרוטוקול המובא כאן מתאר את הייצור, טיהור והדמיה של nanorobot מגודר עם רצפי חיישן aptamer המחייבים באופן סלקטיבי לPDGF כדי להקל על פתיחת nanorobot ^15,22. תהליך הייצור המתואר דומה לnתהליך ייצור anorobot תחילה מתואר על ידי דאגלס et al. ¹⁵ עם שינויים שמטרתה צמצום משך תהליך כולל, תוך הגדלת שיעורי התשואה וטיהור.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. הכנת תערובת סטייפלס בריכה

1. סיכות להזמין lyophilized DNA nanorobot על 96-גם צלחות כמפורט בטבלה 1 (ראה חומרים) ולנרמל עד 10 ננומול. לתיאור מפורט של העיצוב והאדריכלות של nanorobot DNA לראות אל בן-ישי ואח '. ¹⁴ ודאגלס et. ^15).
2. מחדש כל מצרך היטב עם DNase / ultrapure RNase ללא בריכוז של 100 מיקרומטר. לסיכות מנורמלות 10 ננומול, מחדש עם המים ultrapure 100 μl.
3. בריכה יחד 20 μl של כל מצרך באמצעות pipettor רב ערוצי ואגן פתרון סטרילי 55 מיליליטר.
   הערה: מאחר שצורת nanorobot מורכבת של 254 גדילי מצרך (כולל Core, קצוות, ידיות ורצפי מדריכים, טבלת 1), הריכוז של כל אחד מהסיכות בבריכת הסיכות הוא 394 ננומטר. הסרת סיכות מבריכת מצרך, או להוסיף כמה בכרך שונהumes, עשויים להפחית את התשואה משמעותית, או בדרך אחרת לגרום לאגרגטים פרש.

2. הכנת תערובת תגובת ייצור

1. לתערובת תגובה סטנדרטית להשתמש 40 μl של ה- DNA הנגיפי M13mp18 הגנום מעגלי אחת גדיל, מתאים ל4 pmol של DNA פיגום (פתרון 100 מניות ננומטר, ראה חומרים). ריכוז סופי של פיגום בתערובת הייצור הוא 20 ננומטר, נפח סופי 200 μl.
   1. התאם את כמות ה- DNA פיגום בהתאם לצרכים ספציפיים; עם זאת, לשמור על הריכוז הסופי של ה- DNA פיגום בתערובת התגובה ב20 ננומטר קבועים.
2. להוסיף סיכות להגיע פיגום ליחס סיכות של 1 עד 10, בהתאמה. לריכוז ה- DNA 20 הפיגום ננומטר, כל אחד מהריכוז הסופי של הסיכות 254 הוא 200 ננומטר. לμl 200 סופי נפח תגובה להוסיף 102 μl של תערובת בריכת סיכות (סעיף 1.2).
   1. להוסיף רצפי שער ספציפיים בנפרד התערובת תגובה מתקפלת דואר בשלב זה. oligos אלה הורה בנפרד ודורשת טיהור HPLC. ודא שoligos השער נמצא ב01:10 פיגום לשער יחס רצף, כלומר 200 ננומטר של כל אוליגו לריכוז של 20 ננומטר פיגום. לμl 200 מתקפל נפח תגובה, להוסיף 0.4 μl לכל אחת מהארבעה אוליגו השער בריכוז מניית 100 מיקרומטר.
3. להוסיף 10x חיץ מניית טה להגיע לריכוז סופי של 1X טה (40 מ"מ טריס-אצטט, 1 mM EDTA). לμl 200 מתקפל נפח תגובה, להוסיף 20 μl של 10x טה.
4. הוסף 1 M MgCl ₂ לריכוז סופי של 10 מ"מ. לμl 200 מתקפל נפח תגובה, להוסיף 2 μl של 1 M MgCl _2.
5. להוסיף 36 μl מים ultrapure החופשי DNase / RNase ליגיע נפח סופי של 200 μl.
6. וורטקס וaliquot 100 μl דגימות לתוך צלוחיות PCR.
   הערה: התייעץ עם מפרט Cycler תרמית לגבי כמויות תגובה המרביות לשימוש.הקטנת הנפח לעמוד במגבלות אלה לא תפחית את התשואות שהשיגו. כרכי תגובה מעל המרבי שצוינו יסכן את התשואות.

רמפה חישול 3. טמפרטורה של תגובת ייצור

1. Cycler תרמית תכנית אחריו כמו:
   1. רמפה 85 מעלות צלזיוס עד 60 מעלות צלזיוס בשיעור של 5 דקות / מעלות צלזיוס.
   2. רמפה 60 ° C ל- C ° 4 בשיעור של 75 דק '/ מעלות צלזיוס.
   3. להחזיק ב 4 ° C ללא הגבלת זמן.
2. לאחר הייצור הסתיים דגימות חנות ב -20 ° C.

4. ההסרה של סטייפלס העודף

1. להוסיף לתערובת תגובה מתקפלת 100 μl למסנן צנטריפוגלי 0.5 מיליליטר עם MWCO של 100 kDa. להציל את מדגם 10 μl של nanorobots מראש טיהור לניתוח מאוחר יותר.
2. צנטריפוגה למשך 10 דקות ב 9,600 x גרם.
3. להוסיף 400 μl של חיץ מתקפל (1x טה, 10 מ"מ MgCl _2).
4. חזור על שלבים 4.2 ו -4.3 פעמיים יותר.
5. צנטריפוגה במשך 5 דקות ב9,600 x גרם.
6. לשחזר את התרכיז על ידי הצבת המסנן הפוכה בצינור microcentrifuge נקי וספין 1 דקות ב9,600 x גרם. כרכים סופיים עשויים להשתנות בהתאם לכמות הראשונית של תערובת תגובת ייצור שהוכנסה למסנן. בדרך כלל נפח סופי 25-60 μl של מדגם nanorobot המרוכז מתקבל.
7. למדוד ריכוז של ה- DNA בדגימות באמצעות ספקטרופוטומטר ב 260 ננומטר. השתמש במשקל מולקולרי של 5.3 מיקרוגרם / pmol בעת חישוב ריכוזים טוחנות של דגימות nanorobot.
   הערה: מקדם טוחנת ההכחדה לdsDNA, 50 מיקרוגרם / OD _260, מספיק עבור רוב היישומים. 48 מיקרוגרם / OD ₂₆₀ לוקח בחשבון את תימין פולי ssDNA משתרע בסיכות קצוות.

5. Agarose ג'ל אלקטרופורזה ניתוח של nanorobots המקופל

1. הכנת TBE 0.5x (45 מ"מ טריס-Borate, 1 mM EDTA), 2% agarose ג'ל בתוספת 10 מ"מ MgCl ₂ (מותאם מאל ארנסטו קסטרו et ^21.):
   1. הכן מאגר TBE 0.5x על ידי דילול 6.25 מיליליטר של חיץ מניות 10x TBE ב118.75 מיליליטר של DDH ₂ O.
   2. ממיסים 2.5 גרם של agarose ב125 מיליליטר של חיץ TBE 0.5x.
   3. מרתיחים במיקרוגל עד agarose הוא נמס לגמרי.
   4. להוסיף 1.25 מיליליטר של 1 M MgCl ₂ לריכוז סופי של 10 מ"מ.
   5. להוסיף 7 μl של 10 מ"ג / מיליליטר ethidium ברומיד.
   6. חכה לפתרון למעט קריר ולמלא את מגש ג'ל לפני מתמצק agarose ג'ל. התקן מסרק הרצוי באופן מיידי.
   7. הכן L 1 TBE 0.5x הפעלת מאגר על ידי הוספת 50 מיליליטר של חיץ מניות 10x TBE ו -10 מיליליטר של 1 M MgCl _2-940 מיליליטר של DDH ₂ O.
   8. ברגע ג'ל הוא תוספת מוצקה הפעלת מאגר למכשיר אלקטרופורזה ומכשיר לשים באמבט קרח.
2. ה- DNA 1 מיקרוגרם העומס הכולל של טרום טיהור nanorobots (שלב 3.2), ולאחר טיהור (שלב 4.7), לצד פיגוםדגימת DNA וסמן ה- DNA 1 KB, על ג'ל. דוגמא ניתנת באיור 2. כרכים בפועל של דגימות תלויות בריכוזים המתקבלים לאחר טיהור. כל דגימות טעונה עם חיץ טעינה של 1: יחס נפח סופי 6.
3. הגדר מקור כוח 80 V ולהפעיל ג'ל למשך 3 שעות. הפעל את הג'ל באמבט מלא בקרח ומים. Nanorobots יתפתח ויופיע ככתם אם agarose ג'ל מתחמם במהלך אלקטרופורזה. במהלך אלקטרופורזה להוסיף קרח נוסף כדי לשמור על מכשיר מהחימום.
4. צפה בג'ל על שולחן UV (איור 2).

6. כתמים שליליים של Nanorobot עם Uranyl-formate

1. הכנה של 2% מניות פתרון uranyl-formate (מותאמת מאל קסטרו et ^23.):
   1. שוקל של אבקת uranyl-formate 100 מ"ג לתוך צינור 15 מיליליטר.
   2. המים ultrapure החופשי הרתיחה DNase / RNase 3 דקות לדה-חמצן.
   3. הוסף 5 מיליליטר של מים חמים deoxygenated (~ 60 מעלות צלזיוס)לתוך הצינור המכיל 15 מיליליטר אבקת uranyl-formate (מהשלב קודם). מהדקת את המכסה, לעטוף בנייר אלומיניום ומערבולת בקפדנות במשך 10 דקות (צינור להדק מערבולת). פתרון צריך להופיע עכור עם צבע צהוב.
   4. פתרון סינון באמצעות ניטור ארוך טווח אלחוטי מזרק 0.2 מיקרומטר. פתרון צריך להיות ברור.
   5. Aliquot 200 μl של הפתרון לתוך צינורות microcentrifuge.
   6. צנטריפוגה במהירות מקסימלית של 5 דקות בצנטריפוגה בראש הטבלה לדגימות בריכה בחלק התחתון של הצינור.
2. טעינה של מדגם לרשת ומכתים שלילי:
   1. להפשיר aliquot 200 μl של 2% פתרון uranyl-formate (מוכן בסעיף 6.1). הוסף 10 μl של 0.5 פתרון M NaOH ומערבולת בקפדנות במשך 3 דקות. צנטריפוגה במהירות מקסימלית במשך 5 דקות באמצעות צנטריפוגות בראש הטבלה.
   2. בינתיים, רשת זוהר פריקה באמצעות אוויר חדר בmbar 0.2 ו -25 mA למשך 30 שניות.
   3. הוסף 15 μl של 2 מדגם nanorobot ננומטר לאחר טיהור (sectiעל 4.7) על גבי רשת של למעלה (שנערך עם מלקחיים) ולתת לספוג דקות 1. השתמש בנייר אקולוגי ארוך טווח אלחוטי לניקוז הנוזל העודף על ידי הצבת הרשת על גבי נייר הסינון. אל תיגע במשטח הרשת.
   4. הוסף 10 μl של 2% uranyl-formate (משלב 6.2.1) על גבי רשת של למעלה (שנערך עם מלקחיים).
   5. במהירות להשתמש בנייר אקולוגי ארוך טווח אלחוטי לניקוז הנוזל העודף על ידי הצבת הרשת על גבי נייר הסינון. אל תיגע במשטח הרשת.
   6. חזור על שלבים 6.2.4 ו6.2.5.
   7. הוסף 10 μl של 2% uranyl-formate (משלב 6.2.1) על גבי רשת של למעלה (שנערך עם מלקחיים). בואו פתרון מכתים לספוג למשך 30 שניות.
   8. השתמש בנייר אקולוגי ארוך טווח אלחוטי לניקוז הנוזל העודף על ידי הצבת הרשת על גבי נייר הסינון. אל תיגע במשטח הרשת.
   9. בואו הרשת להתייבש לחלוטין לפחות 30 דקות, עם פנים כלפי מעלה על נייר סינון, לפני הזרקה לתוך TEM.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

נציגי תוצאות מוצגות באיור 2 א. כל הנתיבים מכילים 1 מיקרוגרם של ה- DNA הכולל, נמדד באמצעות ספקטרופוטומטר (OD _260). בהשוואה לפיגום DNA חד-גדיל העגול (ליין 2), nanorobots הם הפריעו בג'ל בשל המשקל המולקולרי גבוה יותר שלהם, התוצאה של הכלאת סיכות ל- DNA הפיגום (ליין 3. חץ אדום)...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

תארנו את הייצור, טיהור, ויזואליזציה של nanorobot DNA. בעקבות ייצור של מארז המשושה של המכשיר, הפונקציה של nanorobot מתוכנת עם ההקדמה הפשוטה של מטען ספציפי וגדילי חישה לרובוט שבקלות למצוא את המיקום המיועד שלהם עקב השלמת מימן מליטה עם אתרי עגינה אחת הגדיל זמין ^{14 , 15,22.}

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
DNase/RNase free distilled water	Gibco	10977
M13mp18 ssDNA scaffold	NEB	N4040S
10x TAE	Gibco	15558-042
1 M MgCl2	Ambion	AM9530G
Amicon Ultra 0.5 ml centrifugal filter 100K MWCO	Amicon	UFC510024
Agarose	Promega	V3125
TBE buffer	Promega	V4251
Ethidium bromide 10 mg/ml solution	Sigma Aldrich	E1510
1 kb DNA marker	NEB	N3232S
Loading Dye	NEB	B7021S
uranyl formate	polysciences	24762
carbon-coated TEM grids	Science services	EFCF400-Cu-50
Thermal Cycler c1000 Touch	Bio-Rad
Glow Discharge K100X	Emitech
UV table Gel Doc EZ Imager	Bio-Rad
NanoDrop 2000c	Thermo Scientific
TEM FEI-G12	Tecnai