이 연구는 국립 연구 재단의 Korea(NRF) 사역의 과학 및 ICT (MSIT) (2015K1A4A3047345)와 Nano·를 통해 글로벌 연구 개발 센터 프로그램에 의해 부분적으로 지원 되었다 소재 기술 개발 프로그램을 통해 국가 연구 재단의 한국 (NRF) 과학과 ICT (MSIT) (2012M3A7A9671610)에 의해 자금. 서울 대학교에서 공학 연구 연구소가이 작품에 대 한 연구 시설을 제공합니다. 저자 무서 워 분석에 대 한 형광 분광학에 관한 태 영 윤 (생물 과학, 서울 대학교)으로 감사를 인정.

1. 6 DNA 아코디언 랙 caDNAno14 여 6의 디자인
<ol><li>다운로드 하 고 설치 하는 것은 DNA의 아코디언 랙 디자인 caDNAno 2.0 소프트웨어14 (caDNAno 2.5는 또한 https://github.com/cadnano/cadnano2.5에서 사용할 수). CaDNAno14 을 사각형 격자와 새로운 부품 추가 하려면 사각형 도구 를 클릭 합니다.</li>
	<li>각 광선의 아코디언 랙 번호 고 caDNAno<sup class="xref"...

<ol>
	<li>Andersen, E. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembly+of+a+nanoscale+DNA+box+with+a+controllable+lid.">Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid.</a> Nature. 459 (7243), 73-76 (2009).</li><li>Cha, T. -. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+principles+of+DNA+enzyme+based+walkers:+Translocation+kinetics+and+photo-regulation.">Design principles of DNA enzyme based walkers: Translocation kinetics and photo-regulation.</a> Journal of the American Chemical Society. 137 (29), 9429-9437 (2015).</li><li>Gerling, T., Wagenbauer, K. F., Neuner, A. M., Dietz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+DNA+devices+and+assemblies+formed+by+shape-complementary,+non-base+pairing+3D+components.">Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non-base pairing 3D components.</a> Science. 347 (6229), 1446-1452 (2015).</li><li>Pinheiro, A. V., Han, D., Shih, W. M., Yan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+and+opportunities+for+structural+DNA+nanotechnology.">Challenges and opportunities for structural DNA nanotechnology.</a> Nature nanotechnology. 6 (12), 763-772 (2011).</li><li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+the+speed+limit+of+toehold+exchange+with+a+cartwheeling+DNA+acrobat.">Exploring the speed limit of toehold exchange with a cartwheeling DNA acrobat.</a> Nature Nanotechnology. 1, (2018).</li><li>Krishnan, Y., Simmel, F. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nucleic+acid+based+molecular+devices.">Nucleic acid based molecular devices.</a> Angewandte Chemie International Edition. 50 (14), 3124-3156 (2011).</li><li>Liu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+DNA+tweezer-actuated+enzyme+nanoreactor.">A DNA tweezer-actuated enzyme nanoreactor.</a> Nature communications. 4, 2127 (2013).</li><li>Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+logic-gated+nanorobot+for+targeted+transport+of+molecular+payloads.">A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads.</a> Science. 335 (6070), 831-834 (2012).</li><li>Kuzyk, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconfigurable+3D+plasmonic+metamolecules.">Reconfigurable 3D plasmonic metamolecules.</a> Nature Materials. 13 (9), 862-866 (2014).</li><li>Zhou, C., Duan, X., Liu, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+plasmonic+nanorod+that+walks+on+DNA+origami.">A plasmonic nanorod that walks on DNA origami.</a> Nature communications. 6, 8102 (2015).</li><li>Choi, Y., Choi, H., Lee, A. C., Lee, H., Kwon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Reconfigurable+DNA+Accordion+Rack.">A Reconfigurable DNA Accordion Rack.</a> Angewandte Chemie International Edition. 57 (11), 2811-2815 (2018).</li><li>Chen, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+the+Mechanical+Properties+of+DNA+Origami+Tiles+and+Controlling+the+Kinetics+of+their+Folding+and+Unfolding+Reconfiguration.">Understanding the Mechanical Properties of DNA Origami Tiles and Controlling the Kinetics of their Folding and Unfolding Reconfiguration.</a> Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6995-7005 (2014).</li><li>Han, D., Pal, S., Liu, Y., Yan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Folding+and+cutting+DNA+into+reconfigurable+topological+nanostructures.">Folding and cutting DNA into reconfigurable topological nanostructures.</a> Nature Nanotechnology. 5 (10), 712-717 (2010).</li><li>Douglas, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+of+3D+DNA-origami+shapes+with+caDNAno.">Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno.</a> Nucleic Acids Research. 37 (15), 5001-5006 (2009).</li><li>Castro, C. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+primer+to+scaffolded+DNA+origami.">A primer to scaffolded DNA origami.</a> Nature methods. 8 (3), 221-229 (2011).</li><li>Ouldridge, T. E., Louis, A. A., Doye, J. P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA+Nanotweezers+Studied+with+a+Coarse-Grained+Model+of+DNA.">DNA Nanotweezers Studied with a Coarse-Grained Model of DNA.</a> Physical Review Letters. 104 (17), 178101 (2010).</li><li>Snodin, B. E. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+Simulation+of+the+Self-Assembly+of+a+Small+DNA+Origami.">Direct Simulation of the Self-Assembly of a Small DNA Origami.</a> ACS Nano. 10 (2), 1724-1737 (2016).</li><li>Amir, Y., Abu-Horowitz, A., Bachelet, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Folding+and+Characterization+of+a+Bio-responsive+Robot+from+DNA+Origami.">Folding and Characterization of a Bio-responsive Robot from DNA Origami.</a> Journal of Visualized Experiments. (106), e51272 (2015).</li><li>Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Facile+and+Scalable+Preparation+of+Pure+and+Dense+DNA+Origami+Solutions.">Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions.</a> Angewandte Chemie International Edition. 53 (47), 12735-12740 (2014).</li><li>Wei, B., Vhudzijena, M. K., Robaszewski, J., Yin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembly+of+Complex+Two-dimensional+Shapes+from+Single-stranded+DNA+Tiles.">Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles.</a> Journal of Visualized Experiments. (99), e52486 (2015).</li><li>Clegg, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+resonance+energy+transfer+and+nucleic+acids.">Fluorescence resonance energy transfer and nucleic acids.</a> Methods in enzymology. 211, 353-388 (1992).</li><li>Kopperger, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+self-assembled+nanoscale+robotic+arm+controlled+by+electric+fields.">A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields.</a> Science. 359 (6373), 296-301 (2018).</li><li>Lauback, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+magnetic+actuation+of+DNA+nanodevices+via+modular+integration+with+stiff+micro-levers.">Real-time magnetic actuation of DNA nanodevices via modular integration with stiff micro-levers.</a> Nature Communications. 9 (1), 1446 (2018).</li></ol>

이 프로토콜은 디자인, 시뮬레이션, 합성, 그리고 기본적인 2D DNA 아코디언 랙의 분석에서 전체 과정을 소개합니다. 수정 된 설계 및 시뮬레이션 규칙 있다 설명 디자인 규칙의 표준 DNA 종이 접기, 다르기 때문에 DNA 아코디언 랙 추가 뉴클레오티드 유연성14,15크로스 오버에서. 이것에서 우리는 프로토콜 DNA 아코디언 선반을 사용 하 여 다양 한 연구를 가?...

그들은 생산을 나노미터 2D 및 3D의 복잡 한 나노 모션 때문에 DNA nanostructures 또는 DNA 빠져나가기1,2,3,,45 에 따라 기계 시스템 독특합니다. ångström 해상도, 다양 한 바이오 자극2,,36에 따르면. 이러한 구조에 기능성 소재를 연결 하 고 그들의 위치를 제어,이 구조는 다양 한 분야에 적용할 수 있습니다. 예를 들어 DNA 빠져나가기를 분자 원자로7, 마약 배달8및 nanoplasmonic 시스템9,10에 대 한 제안 되었습니다.
이전에 우리는 재구성 가능한 DNA 아코디언 랙 요소11 (그림 1A)의 2D 또는 3D 나노 네트워크를 조작할 수 있는 도입. 단지 몇 가지 요소를 제어 하는 다른 DNA 지지, 달리 플랫폼 공동으로 다양 한 단계에 주기적으로 기준점과 2D 또는 3D 요소 조작할 수 있습니다. 우리는 프로그래밍 가능한 화학 및 생물 반응 네트워크 또는 분자 컴퓨팅 시스템 건축 될 수 있다 우리의 시스템에서 관리할 수 있는 요소의 수를 늘려 예상. DNA 아코디언 랙 여러 DNA 광선의 네트워크가 단일 가닥 DNA (그림 1B)의 구성 된 관절에 연결 되어 있는 구조입니다. 아코디언 랙 DNA 빔에 의해 생성 된 DNA 자물쇠 광선의 스티커 부분에 교배 하 고 브리징 부분의 잠금 (잠금된 상태)의 길이 따라 빔 사이의 각도 변경 하 여 다시 구성 됩니다. 또한, 다단계 재구성은 DNA 가닥 발 기반 변위12,13자물쇠를 분리 하 여 자유 상태의 형성 후 새로운 자물쇠를 추가 하 여 보여 줍니다.
이 프로토콜에서 우리는 재구성 가능한 DNA 아코디언 랙 전체 설계 및 합성 과정을 설명합니다. 프로토콜 설계, 시뮬레이션, 젖은 실험실 실험, 및 6에 의해 6 메시의 DNA 아코디언 랙 및 이러한 재구성의 합성에 대 한 분석을 포함 한다. 프로토콜에서 설명 하는 구조는 이전 연구11 의 기본 모델 이며 65 nm 65 여 14 빔으로 구성 된 크기에 nm. 설계 및 시뮬레이션, 아코디언 랙의 구조 설계는 기존의 DNA 종이 접기14,15 (즉, 단단히 포장)에서 다르다. 따라서, 설계 규칙 및 분자 시뮬레이션 전통적인 방법에서 수정 되었습니다. 설명 하기 위해, 우리는 caDNAno14 의 수정 된 접근 및 아코디언 랙 추가 스크립트 oxDNA16,17 를 사용 하 여 시뮬레이션을 사용 하 여 설계 기법을 보여줍니다. 마지막으로, 구성 된 아코디언 랙 구조 분석에 대 한 가장 및 무서 워 두 프로토콜 설명 되어 있습니다.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>M13mp18 Single-stranded DNA</td>
			<td>NEB</td>
			<td>N4040s</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1M MgCl2 Solution</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td>M2001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris-EDTA buffer</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td>T2142</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nuclease-Free Water</td>
			<td>Qiagen</td>
			<td>129114</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5M Sodium Chloride solution</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td>s2007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEG 8000</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1546605</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10N NaOH</td>
			<td>Biosesang</td>
			<td>S2038</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Uranyl formate</td>
			<td>Thomas Science</td>
			<td>C993L42</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermal cycler C1000</td>
			<td>Biorad</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanodropic 2000</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM (LIBRA 120)&#160;&#160;</td>
			<td>Carl Zeiss</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorometer Enspire 2300</td>
			<td>Perkin-Elmer</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Labogene</td>
			<td>LZ-1580</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

design and synthesis of a reconfigurable dna accordion rack

DNA nanostructure 기반 기계 시스템 또는 ångström 해상도를 나노미터 2D 및 3D의 복잡 한 나노 모션 생성, DNA 빠져나가기 약물 전달, 분자 원자로 등 나노기술의 다양 한 분야에서 큰 잠재력을 표시 그리고 nanoplasmonic 시스템입니다. 재구성 가능한 DNA 아코디언 랙 수 총칭 조작 요소, 2D 또는 3D 나노 네트워크 응답 DNA 입력으로 여러 단계에서를 설명 합니다. 플랫폼은 DNA 빠져나가기 재구성의 여러 단계와 네트워크 규모에 몇 가지 요소에서 제어할 수 있는 요소 수를 늘릴 가능성이 있다.
이 프로토콜에 우리는 6에 의해 6 메쉬 재구성 가능한 DNA 아코디언 랙 전체 실험 과정을 설명합니다. 프로토콜 구조와 합성 및 재구성에 대 한 젖은 실험실 실험의 설계 규칙 및 시뮬레이션 절차 포함 되어 있습니다. 또한, 가장 (전송 전자 현미경 검사 법)과 무서 워 (형광 공명 에너지 전달)를 사용 하 여 구조 분석 프로토콜에 포함 됩니다. 이 프로토콜에서 설명 소설 설계 및 시뮬레이션 방법을 연구원 추가 응용 프로그램에 대 한 DNA 아코디언 랙을 사용 하 여 도움이 됩니다.

설계 된 6 월 6 일에 의해 DNA 아코디언 랙 oxDNA16,17 에서 시뮬레이션 하 고 결과 그림 6에 표시 됩니다. 시뮬레이션 결과에서 구조 왜곡 없이 원하는 구조 형성은 확인 되었다.
그림 7 에서 가장 이미지는 2, 8, 13, 20 bp 길이의 잠금 구성 된 구?...

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Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack

우리는 디자인, 시뮬레이션, 젖은 실험실 실험 및 아코디언 랙 6으로 6 메시의 DNA의 재구성에 대 한 분석에 대 한 상세한 프로토콜을 설명합니다.

재구성 가능한 DNA 아코디언 랙의 설계 및 합성

DNA nanostructure-based mechanical systems or DNA nanomachines, which produce complex nanoscale motion in 2D and 3D in the nanometer to &#229;ngstr&#246;m ...

This method can help answer key questions in the nano molecules field, such as DNA nano technology, nano molecular circuits, and nano medicine. The main advantage of this technique is that it dramatically increases the category of controlling periodically irate elements in both two and three dimensions. To begin, download and install Cadnano software to design a DNA accordion rack.Open Cadnano and click the square tool to add a new part with a square lattice. Click the pencil tool and draw each beam on the right edit panel of Cadnano. Break beams every 32 base pairs for joints between adjacent beams.Place staple crossovers in the same position as the joints. Use the insert tool and the pencil tool in Cadnano to let the joints have additional single stranded crossovers. Now, click the break tool.Break the strands where staple strands are circular or longer than 60 base pairs. To design the DNA lockstrands, click the break tool. Break eight base pairs of a staple DNA region to make a sticky part and delete eight base pairs of a staple DNA region.There are 18 sticky parts in the six by six accordion rack. Place sequences that are reverse complimentary to the sticky parts at both ends of lockstrands and connect them by a bridging region, which consists of poly T strands of the desired length. For the reconfiguration, add eight base pairs of toehold sequences at the end of the DNA locks for strand displacement.Design strands that are reverse complimentary to the DNA locks for the reconfiguration experiment. Generate a topology file and configuration file using OxDNA as described in the text protocol. The topology file includes how many strands and nucleotides are in the structure and information regarding backbone-backbone bonds between nucleotides.The configuration file includes general information, such as time step, box size, and energy. Orientation information, such as position vector, backbone-base vector, normal vector, velocity and angular velocity of nucleotides is also included. Change the information in the topology and configuration file from Cadnano to make them reflect the real structural information of the accordion rack.Then, run the molecular dynamics program as described in the text protocol. To visualize the structures, run the Cogli program with the topology and configuration files from the OxDNA simulation. Hide the box by pressing B.Purchase the design DNA staples and prepare them as described in the text protocol.Combine staple DNA, magnesium chloride solution, tris EDTA solution, nuclease free water, and scaffold DNA to make 20 micro liters of mixed stock with the final concentrations listed in the text protocol. Now, rapidly heat the mixed stock solution in a thermal cycler to 80 degrees Celsius. Cool the solution to 60 degrees Celsius, at a rate of four minutes per degree Celsius.Then, cool from 60 degrees Celsius to four degrees Celsius at a rate of 40 minutes per degree Celsius. To purify the structure, mix 20 micro liters of the synthesized structure in 20 micro liters of precipitation buffer. Then, spin the mixed stock at 16, 000 times G and four degrees celsius.Remove the super natant and dissolve pellet in the target buffer. To reconfigure the accordion rack from a free state to a locked state, first add two micro liters of DNA lockstrands of the desired length into 20 micro liters of the synthesized structure. Incubate the sample for 100 minutes at 50 degrees Celsius for 30 minutes and slowly cool down to 25 degrees Celsius at a rate of 0.33 degrees Celsius per minute.To reconfigure the accordion rack from a locked state to a free state, add two micro liters of strands that are reverse complimentary to the locked strands of the desired length into 20 microliters of synthesized structure. Incubate the sample for 12, 60, 120, and 240 minutes by rapidly heating the sample to 40 degrees Celsius and slowly cooling down to 20 degrees Celsius for the time corresponding to each. Right after the detaching step, rapidly cool down the sample to four degrees Celsius to prevent unwanted denaturation.To perform FRET analysis, synthesize the structure as before, expect with fluorescently labeled strands. Measure the concentration of the purified sample. After normalizing the sample to 10 nano molar, load 50 micro liters to a well in a 384 well micro plate.Measure the fluorescence of the sample with donor and acceptor dyes, as well as the donor only sample by exciting at 550 nano meters and measuring the fluorescent spectrum from 570 nano meters to 800 nano meters with a fluorometer. To measure the concentration of the acceptor, excite the dyes of the sample at 650 nano meters and measure the fluorescent spectrum from 670 nano meters to 800 nanometers. Then, calculate the FRET efficiency as described in the text protocol.A simulation result from OxDNA is visualized here by Cogli. The accordion rack is shown with DNA locks, of which the lengths are two, eight, 13, and 20 base pairs. The angle of the accordion rack, comprised of six by six meshes, was controlled by the length of the DNA locks.By adding DNA locks with lengths of two, eight, 13, and 20 base pairs to the 18 locking sights of the accordion rack, the angle is configured as seen in the representative transmission electron microscopy, or TEM images. The dye pair is attached to the structure for FRET efficiency analysis. Shown here are representative TEM images of configured six by six DNA accordion racks with different DNA lock lengths.After its development, this technique paved the way for researchers in the field of DNA nano technology to explore interactions of different molecules in a collectively controlled system.