DNA折纸设计生物反应灵敏的机器人

摘要

DNA折纸术是一个功能强大的制造精确的纳米级物体，通过编程的自组装的DNA分子的方法。在这里，我们介绍了如何可以利用DNA折纸设计的机器人机器人能够感知生物的线索和响应变形，随后传递到预期的效果。

摘要

核酸是惊人的多才多艺。除了 ​​作为生物体信息^1的存储介质，用于他们的自然作用，它们可以用在并行计算^2,3，识别和结合的分子或细胞的目标^4,5，催化化学反应^6,7，并和计算的反应生成的生物系统^8,9。重要的是，核酸可以被编程自组装成2D和3D结构^10-12，使所有这些显着的特点，在一个单一的机器人的的生物线索传感为了发挥所期望的效果的预设响应链接的整合。

首次提出创建形状核酸西曼^13，关于这一主题的几个变化，至今已实现了利用各种技术^{11,12,14,15。}然而，最重要的也许是提出了一个由罗斯蒙德，称为脚手架DNA折纸16。在这种技术中，长（> ​​7000个碱基）的单链DNA的支架的折叠数百个短的互补链被称为“ 缝钉”所期望的形状。折叠是通过高温退火斜坡。此技术成功地创造卓越的精度和鲁棒性的2D形状多样化的证明。 DNA折纸，后来扩大到3D，以及^17,18。

本文将着重道格拉斯和他的同事开发的caDNAno 2.0软件^19。 caDNAno是一个强大的，用户友好的CAD工具，使2D和3D DNA折纸形状的设计用途广泛等特点。设计过程依赖于DNA结构，使得它比较简单，高效的系统和准确的抽象计划。

在本文中，我们证明了设计的DNA折纸NA最近已描述norobot。这个机器人是'机器人'在某种意义上说，它感应到驱动链，为了执行任务。我们将解释如何结构可以被集成到各种传感方案，以及如何可以被传递到所期望的效果。最后，我们使用剑度²¹所设计的形状的机械性能进行仿真。我们所讨论的概念可以适应多个任务和设置。

研究方案

本文中我们将设计的机器人的蛋白P的反应，提供的货物C的表面上的选定的靶细胞的受体结合。 图1中所示的机器人，C可以是一种受体阻断药;一种生长因子等，以及化学连结的DNA寡核苷酸的方法，必须使用不破坏其功能。该机器人有两种状态。当无效，DNA杂交门上的两个外部的“嘴唇”，确保机器人仍然关闭，内装载任何货物被牢固地封存。在存在对蛋白P，门打开的若干机制中的任一个（下面将讨论），允许机器人来打开和暴露的货物。设计结构时，认为，机器人必须足够灵活，以收到自身处于封闭状态，春天开放状态，当闸门启用它这样做。的行为进行建模的DNA结合热力学和机械部件的结构是困难的，实际的对象可能需要一些迭代改进。然而，在这里，我们专注于一般的工作模式，它可以建立在设计过程中使用。

注意

DNA折纸设计和折叠的过程中，为了更全面的了解，我们强烈建议由道格拉斯和他的同事们¹⁹这也解释了DNA的抽象表示，在设计界面，它涉及到实际的分子结构以及如何读取原始caDNAno纸3D DNA外形。本文是伴随着两个视频教程描述的caDNAno表示非常明确的方式和接口。此外，我们建议您阅读更近的纸张由迪茨和同事描述了许多重要的方面和详细协议的折叠过程，包括达虹分析工具^21。

地幔“> 1。下载并安装caDNAno的2.0和2012欧特克玛雅

注：Autodesk软件是免费为学生和学术用途。下面的说明，包括设立学术帐户在Autodesk。

1. 创建一个学术在http://students.autodesk.com/帐户。接收帐户设置的e-mail后，点击激活链接，填写您的喜好随意。
2. 2012年玛雅从下载中心下载的免费版本。
3. 您的计算机上安装2012年玛雅。
4. 运行一次玛雅之前安装caDNAno 2.0。
5. 下载并安装最新版本的caDNAno 2.0从http://cadnano.org/ 。
6. 运行玛雅二年。一个caDNAno图标应该出现在图形用户界面的右上角。点击图标进入caDNAno。

2。 OUTLINE所需的形状和脚手架链路径

1. 在Maya该设计界面caDNAno的包括3个面板（图2）：
   1. 顶部面板：晶格形状来看，初步概述。此面板使双螺旋结构级别的操作，并提供了一​​个剖面视图的形状。
   2. 底板：编辑面板，使单碱基行动。
   3. 右面板：玛雅生成的实时三维模型的形状
2. 点击“蜂窝”图标。放大对在顶部面板的晶格可以通过鼠标向上和向下滚动。
   caDNAno使两个可能的设计，蜂窝晶格和方形，在本文中我们将使用蜂窝煤的布局，尽管正方形格子，一般可以用作以及^22。
3. 开始通过绘制所需形状的左侧面板上的部分。
   每个圆圈代表一个DNA双螺旋。到CHOOSE建立螺旋形状，只需左键单击它们的中心（图3）。继续螺旋螺旋，直到整个形状轮廓。另外，形状可以得出，通过按下鼠标左键并不断绘制形状的轮廓。任何行动都可以通过点击“编辑”菜单，并撤消“撤消”，或按键盘快捷键Ctrl + Z（PC）或CMD + Z（MAC）。
   在这一点上，所选择的螺旋会出现黄色。在同一时间，在底部面板显示，由这些螺旋形状的侧视图。螺旋底部面板中的编号是一致的，顶一个编号。
4. 观察底部面板。每一螺旋表示的两行的平方和：行的双螺旋的两条链，代表碱（图4），每平方米。
   橙色竖线决定沿着螺旋编辑操作。该基地的位置沿着电网出现一个橙色条以上。螺旋框架的默认长度为42个碱基。通过点击编辑面板右上角的灰色箭头图标和选择的延伸长度（21的倍数，这对应于两个圈的DNA双螺旋的长度可以延长，其中一匝跨越10.5碱基）（图4）。格线将延伸到所选择的箭头方向。
5. 整个形状绘制实际的脚手架链路径，按下鼠标按钮，开始从第一螺旋，他们最初选择在2.3节中，按照相同的顺序对所有的螺旋连续。需要注意的是：
   1. 螺旋选择这个时间会改变颜色橙色。
   2. 底部面板中，脚手架链片段将被自动绘制在所选的螺旋。
   3. 右面板中会显示正在兴建中的实时3D模型的形状。在结束本过程中，脚手架链路径草案将自动绘制底部面板中（图5）。
6. 绘制一个矩形脚手架路径周围所有的最左边的边缘。请注意，所以选择的边缘会出现红色（图6）。
7. 延长支架路径通过拖动所选择的作为一组网格的左侧边缘。重复此过程，路径的右边缘，直到适当延长。请注意，在右侧面板中（图7），支架扩展还扩展了3D形状。
8. 定位支架的其余部分隔离的路径部分，并把它们连接起来。在我们的形状，例如，螺旋0-9形成一个孤立的部分。螺旋9需要被连接到螺旋12（注意，9和10是螺旋形状[[顶部面板，这样他们可以不连接不相邻的）。
9. 放大链连接，并使用“选择”工具，点击任何一点的股线。点击任何一个点一个蓝色的脚手架片段后，'桥'的图标之间出现螺旋，表示允许交叉位置。在这些位置中，在相邻的螺旋的碱基彼此面对直接使链跨越从螺旋的螺旋线，而不会变形或扭曲的DNA。每个网桥图标旁边出现的数字表示数螺旋交叉（图8）。
10. 要创建交叉，左键点击图标选择桥。将产生的棚架交叉，这意味着支架穿越在这一点上，从螺旋螺旋（图9）。重复此过程，直到脚手架遍历所有螺旋和创建一个闭合回路，跨越整个形状，不留下任何形状的其余部分隔离的区域。
    请注意，而出现交叉跨越的距离在软件，在现实中，他们不包括任何DNA碱基。物理，交叉“桥”连接两个基地一起从相邻螺旋DNA骨架只包含一个磷酸装置。
11. 移动到下一个步骤之前，确保整个支架是连续的，没有一部分是从他人隔离。

3。定义开放机制轴

所描述的机器人打开回复到一个定义的生物输入到露出它的有效载荷。年初发生在壳状的方式，用两个半（螺旋0-29弥补一半，螺旋30-61弥补下半场）围绕两个轴。的轴线形成螺旋29-30和61-0，这是唯一的那些半之间的交叉和仅在或接近的位置的网格的左边缘之间的交叉。的右边缘将包含的的栅极导线束（下面讨论）。

1. 清除现有的交叉螺旋29-30之间。要删除交叉，点击“拐点”在任一链点。这留下了缺口在两股交叉使用。要缝的刻痕，按Shift并单击每个缺口。
2. 创建一个新的交叉螺旋29-30之间尽可能接近电网的左边缘（图10）。
3. 创建一个新的螺旋61和0尽可能接近网格的左边缘之间的交叉。

4。定义有效载荷的附着位点

我们绘制完脚手架链路径后，我们需要定义有效载荷的附件（加载）网站。加载网站其实短链伸出他们的螺旋单链'分支'。因此重要的是非常精确地确定沿耳轮出现分支，以确保它向所需的方向延伸。如果我们定义任意订书钉扩展，装载的网站可能发生的机器人，而不是内部的一侧的外侧上。

ŤØ确保的钉只延伸到一个特定的方向中，我们画出一个额外的螺旋，作为导轨的方向分支的订书钉从本体。扩展所需的装载现场主食后，引导螺旋被删除。

1. 让我们定义4朝向内部机器人的一侧的加载点。加载网站将分支螺旋3，27，34，和58。对于每一个网页，在顶部面板中，单击“直接相邻的螺旋线，这些螺旋的面向内部的一侧（图11）。这将增加螺旋底部面板中的电网。第二不要点击这些螺旋。

5。添加和编辑斯台普斯

1. 点击“AutoStaple”。该软件会自动添加各种颜色的短序列（图12），需要注意的是主食已被添加到在右侧面板中的3D形状。短纤的底部和右侧面板的颜色是一致的。的其他上，有一个指示灯的接口，它表示的钉左下角。
   注：主食不能太长，太短或圆形。在这里产生的主食大多不符合这些标准，而且要编辑。编辑的第一步是自动的（见下一步骤）。
2. 点击“自动访问”。会打开一个对话框（图13），用户自定义的参数，这个动作要求：
   1. 目标长度（BP）：如果可能的主食预期长度
   2. 最小长度（BP）：允许的最小长度为主食
   3. 最大长度（BP）：允许的最大长度为主食
   4. 最小区XOVER（BP）之间的边缘和交叉或两个交叉点之间的碱基对数目最小的主食可以遍历。
      使用默认的参数，单击“确定”。该软件将打破根据这些参数力所能及的主食（图14）。
3. 删除所有的主食之间的交叉螺旋29-30和61-0，以使这些螺旋分离并启用机器人打开。删除主食交叉将需要一些手动编辑正确的主食变得太短或不合理的作为这一行动的结果。要做到这一点，请按照下面的章节中的说明。
   请务必留下完好的3.2和3.3节中创建的支架交叉。
4. 考虑，例如，从左侧螺旋29和30（图15）之间的第一钉交叉（缝钉青色和黑色）。通过点击每个拐点或桥梁，所以会出现红色，然后击中DELETE（图16），同时删除这个交叉的桥梁。
5. 缝两主食螺旋29日按Shift并单击它们之间的缺口。类似地，缝三个到一个单一的订书钉（图17）的绞合线30上的缝钉。斯台普斯可以手动点击边缘，并拖动它随意延长或缩短。小心不要传阅任何主食。 图18显示了完整的编辑后，大宗交叉螺旋29-30之间的差距。螺旋0和61，重复此过程，并在每个螺旋手动编辑所有的主食。
6. 找到由粗线绘制的主食，这意味着他们需要进一步的编辑。检查每一个必要的纠正。例如，过短的缝钉可以被删除（图19），或者如果可能的延伸。

6。创建装入网站和盖茨

1. 其次单击加载网站螺旋在顶部面板，延长产生的点击边缘并拖动随意（图20），底部面板中的脚手架链片段。
2. 手动添加订书钉这些脚手架片段的橙色竖线放置在所需的位置沿吨他脚手架，要在引导螺旋左侧面板上，按住Shift点击。这将增加主食前体在每个螺旋（图21）。
3. 主食前体全长以及通过点击和拖动。
4. 找到红色桥梁图标，表示允许交叉的导向链（例如，螺旋62）和机箱（例如，螺旋3）之间的位置。
5. 选择最方便的地点，引入交叉和点击桥图标（图22）。一个方便的位置，只需要很少的编辑在机箱中现有的主食。
6. 在指南中的螺旋（螺旋62）中，删除的是不是一个部分的装载站点的主食的一部分，并参与部分缩短到所需长度。所需的长度应加载不同类型的货物，同时提供特异性和结合强度。通常情况下，一个18夏季尾巴应该罚款。确保主食仍然DRA笔关于用细线，否则对其进行编辑，直到它。
7. 在机箱内，根据需要编辑更改后的订书钉。
8. 擦除指南（螺旋62）只留下主食扩展。
9. 重复步骤6.4-6.8所有负载点（图23）。

7。设计门股

的栅极链是唯一的多股线，除了轴，连接螺旋29-30和61-0。轴相反，栅极的股线没有交叉。相反，它们杂交形成一个双链片段作为生物传感器，用于选择输入。一旦门复式流离失所，整个机器人熵可以围绕轴和开放。

1. 找到门链的正确位置。这些都将是主食螺旋29，30，61，和0。
2. 例如，检查29-30门的区域。有方便的主食股侧翼螺旋29和30的网格，右侧可以用作栅极链。请注意，他们面临着相反的方向。
3. 单击之一的潜在栅链延长它的形状以外的边缘。如果沿位于超过脚手架的交叉，它的选择可以简化通过确保只有“科学和技术咨询小组”（LES）是可选的，在“可选”工具栏上的界面右上侧点击“SCAF”（倍） 。
4. 延长两个缝钉，以形成栅极链。编辑主食，如果这个扩展需要它（图24）。重复此门股螺旋0和61。
   请注意，现在的实际长度不打紧，由于传感器的DNA（ 如适体）将取代栅极链序列，在序列完成步骤。

8。选择脚手架序列

1. 点击“序列”工具。将光标放在脚手架链上的任何地方，并单击“确定”。将打开一个对话框，要求我们选择脚手架的DNA源（图25）。
2. 选择源DNA在很大程度上取决于在机器人上的大小。例如，M13mp18中单链DNA（p7249），以及其延伸的衍生工具（p7308等），一般都选择大型DNA折纸形状，适合当脚手架链长〜7 KB。如果所设计的形状的支架，是显着短于所选择的源，多余的脚手架链，还没有任何订书钉杂交创建一个循环从折叠的形状突出的单链DNA。虽然这通常相对较短的循环构成，没有什么问题，多kb的长的循环可以大大干扰折叠和功能的机器人。因此，它是重要的，以适应所选择的源的形状的支架长度。

例如，如果所需的脚手架链折叠的小形状〜1600个碱基长，这是显着短于预设对话框中的来源，自定义序列被用作支架。一些消息来源，可以考虑。例如，可以产生所希望的长度的片段与一个特定的限制性内切酶消化的M13mp18。粘贴的M13mp18序列设计源可以做到在NebCutter（ http://tools.neb.com/NEBcutter2/ ）在NebCutter输入窗口，并测绘的限制性位点。另一种选择是使用预先消化的单链DNA，如phiX174病毒颗粒的单链DNA的HaeⅢ消化，可从New England Biolabs公司。

3. 在对话框中，单击：“的M13mp18”。需要注意的是所选择的DNA序列已被添加到该脚手架和底部面板中的订书钉链。

9。世博会RT装订顺序为电子表格

1. 点击顶部工具栏上的“导出”，主食列表中选择目标文件名。点击“保存”。
2. 找到目的地。csv文件，并打开它。
3. 该表格​​显示了的订书钉的列表，它可以是DNA合成公司发送。的前两列显示的开始和结束坐标，括号外的数字表示螺旋数目和括号内的数字表示基位置。

10。分配门和装载顺序

1. 在主食的名单，你会发现一些序列的开始或结束一串问号“？？？”。这些问号表示脚手架链杂交，因为没有这些具体的主食地区，他们不能被分配​​互补序列。这些其实都是我们的门链和加载网站设计的扩展，因此需要手动分配。
2. 门：
   1. 大门性质决定了生物的输入机器人将切换到激活状态无效，并揭露其有效载荷。每个单双链DNA的门可以编码一个生物学意义上的输入（或更多），所以可以定义机器人激活所需的输入配置文件。
      让我们假设在这个例子中，生物球杆触发机器人激活是限制性内切酶，这可能表明存在传染性细菌。
   2. 首先要考虑门的单链DNA链不杂交后立即分支，他们的螺旋。设计的门，否则可能会阻碍杂交折叠过程。因此，应该从每个分支间隔串。我们通常使用聚-T为间隔的字符串，这个序列提供了灵活性。
   3. 我们还假设栅极杂交区域的长度为20个碱基，含有目标限制坐E在它的中间。
   4. 因此，门看起来像这样：
      [螺旋29]-5'-..... TTTTTTTGTGAGTTxxxxxxGCTAGAG-3'
      [螺旋30]-3'-..... TTTTTTTCACTCAAxxxxxxCGATCTC-5'
      “......”表示的的订书钉区域，与脚手架链杂交，因此，它有一个序列已经不应该改变。
      随机双面的“GTGAGTT”和它的补，确保限制的网站是部分开放，并提供了一​​些额外的基地，以确保有效的酶消化。
      “x”表示的限制位点。
      随机双面的“GCTAGAG”及其补充的酶，以提高工作效率提供一些额外的基地，也使得确保门链足够长，以确保机器人封好。
      在选择网站为目标的限制，确保整个机器人结构，加载网站和​​其他部分的门本身不被消化的酶的选择。在这种检查中，NEBCutter 0刀片（不要切整个序列的酶），突出EagI位，作为一个潜在的的酶可能表明肠杆菌感染性的存在下，从分离的肠杆菌属成团泛菌。
   5. 现在门看起来像这种（黄色标记EagI位酶切位点）：
      [螺旋29]-5'-..... TTTTTTTGTGAGTTCGGCCGGCTAGAG-3'
      [螺旋30]-3'-..... TTTTTTTCACTCAAGCCGGCCGATCTC-5'
      请注意，这样的设计假定消化后，该序列“GTGAGTTCGG”（T _米 = 32°C）是不足够长的或持有机器人收了热力学稳定的。这一假设将最有可能需要进行验证实验。
   6. 第二栅可以是相同的，在这种情况下，机器人将只响应一个酶，或者可以设计成不同的网站，增加了机器人的特异性。更多的限制性酶切位点可以被添加到同一条链上，在压痕机器人的复杂性和特殊性。
3. 加载站点：
   1. 装载站点可以是一个通用的序列。另外，装载站点可以基于独特的序列，这将降低模块化，但提高货物方向率（不同类型的货物）的控制权。
   2. 最后，装载站点的寡核苷酸应当包括为使它们能够与任何有效载荷灵活运用的化学官能团：蛋白质，纳米粒子等，确保被安装在正确的一端（5'或3'）的化学基团，根据钉方向。

11。模拟结果CANDO

1. 。json文件保存为作业后，可以上传到CANDO进行分析。 CANDO是一个基于有限元模拟的DNA结构，可以判断它的刚性和稳定性，在溶液中^21。
2. 到ami.org /“目标=”_blank“> http://cando-dna-origami.org/
3. 点击“提交caDNAno的文件进行分析”，并填写所有必要的信息。
4. CANDO分析通常需要15-20分钟。年底，一封邮件让我们知道分析完成后，提供了一个链接，下载的模拟结果（图26）。

12。订单DNA和折叠机器人

一旦设计过程完成后，，CANDO分析的订书钉链生成的列表中的第9-10可以订购的产品，显示出令人满意的预测。订书钉链通常情况下，不要求特定的纯化，但是，它建议通过HPLC纯化，特殊用途的多股线，如门或装载站点。

以下步骤DNA顺序，即折叠，净化和评估的产品，包括可视化的折叠结构，无论是原子力显微镜（AFM）或透射电子显微镜（TEM）是本文的范围之外，并且可以发现在以前的报告^{17,18,20,21。}这里设计的机器人带来的TEM图像作为一个例子（图27）。样品制备和染色进行了完全一样的描述别处^21。

结果

图1-25的的2.0 caDNAno接口设计过程中一步一步的截图。的横截面的形状，首先概述（图3），然后由自动加法脚手架链片段和完成整个支架的路径（图7）。订书钉链自动添加（图12），根据用户定义的参数（图14）打破，手动编辑，以适应主食所需功能的设备（图15-18）。图23-24描述了如何加载站点和栅极链添加和编辑?...

讨论

DNA折纸术在纳米级的任意功能，使我们能够制作精确定义的对象。下一个重要步骤，将功能整合到这些设计。虽然许多应用程序和挑战，可以用这种技术制造DNA折纸术的治疗和科学的机器人，有一个特别的兴趣，因为这些代表了自然的环境的DNA。 DNA已经作为遗传信息存储介质中的细胞与分子机械接口。有趣的是，在纳米机器人或另一台机器上的折叠的DNA可以作为遗传信息的，除了作为结构材料?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Autodesk Maya 2012	Autodesk		A student/academic account needs to be created first (see platform-specific instructions in http://cadnano.org)
caDNAno 2.0 (software)	(Open source)		Software for the design of DNA origami structures http://cadnano.org
Cando (webpage)	(Open source)		Webpage running a simulator of DNA origami shapes http://cando-dna-origami.org