Name: designing a bio-responsive robot from dna origami
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00
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Die Autoren danken S. Douglas für extrem wertvolle Diskussionen und Ratschläge, und alle Mitglieder der Bachelet Labor für hilfreiche Diskussionen und Arbeit danken. Diese Arbeit wird durch Zuschüsse aus der Fakultät für Life Sciences und Institut für Nanotechnologie und Advanced Materials an der Bar-Ilan-Universität unterstützt.

Der Roboter wir in diesem Papier Design wird reagiert auf ein Protein P, indem sie eine Ladung C erhältlich an Rezeptoren auf der Oberfläche eines ausgewählten Zielzelle zu binden. Der Roboter wird in 1 gezeigt kann ein C-Rezeptor-blockierenden Droge;. Ein Wachstumsfaktor usw., und eine Möglichkeit, chemisch verbinden es mit einem DNA-Oligonukleotid vorhanden sein muss, nicht zerstört seine Funktion. Der Roboter hat zwei Zustände. Wenn inaktiv, DNA Tore auf den beiden ä...

<ol>
	<li>Watson, J. D., Crick, F. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetical+implications+of+the+structure+of+deoxyribonucleic+acid.">Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid.</a> Nature. 171, 964-967 (1953).</li><li>Adleman, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+computation+of+solutions+to+combinatorial+problems.">Molecular computation of solutions to combinatorial problems.</a> Science. 266, 1021-1024 (1994).</li><li>Qian, L., Winfree, E., Bruck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+network+computation+with+DNA+strand+displacement+cascades.">Neural network computation with DNA strand displacement cascades.</a> Nature. 475, 368-372 (2011).</li><li>Ellington, A. D., Szostak, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+selection+of+RNA+molecules+that+bind+specific+ligands.">In vitro selection of RNA molecules that bind specific ligands.</a> Nature. 346, 818-822 (1990).</li><li>Tang, Z., Parekh, P., Turner, P., Moyer, R. W., Tan, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generating+aptamers+for+recognition+of+virus-infected+cells.">Generating aptamers for recognition of virus-infected cells.</a> Clin. Chem. 55, 813-822 (2009).</li><li>Baskerville, S., Bartel, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+ribozyme+that+ligates+RNA+to+protein.">A ribozyme that ligates RNA to protein.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99, 9154-9159 (2002).</li><li>Bartel, D. 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W., Papadakis, N., Winfree, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Algorithmic+self-assembly+of+DNA+Sierpinski+triangles.">Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles.</a> PLoS Biol. 2, e424 (2004).</li><li>Chen, J. H., Seeman, N. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+from+DNA+of+a+molecule+with+the+connectivity+of+a+cube.">Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube.</a> Nature. 350, 631-633 (1991).</li><li>He, Y., 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=Hierarchical+self-assembly+of+DNA+into+symmetric+supramolecular+polyhedra.">Hierarchical self-assembly of DNA into symmetric supramolecular polyhedra.</a> Nature. 452, 198-201 (2008).</li><li>Seeman, N. 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+junctions+and+lattices.">Nucleic acid junctions and lattices.</a> J. Theor. Biol. 99, 237-247 (1982).</li><li>Wei, B., Dai, M., 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=Complex+shapes+self-assembled+from+single-stranded+DNA+tiles.">Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles.</a> Nature. 485, 623-626 (2012).</li><li>Yin, P., 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=Programming+DNA+tube+circumferences.">Programming DNA tube circumferences.</a> Science. 321, 824-826 (2008).</li><li>Rothemund, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Folding+DNA+to+create+nanoscale+shapes+and+patterns.">Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns.</a> Nature. 440, 297-302 (2006).</li><li>Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Folding+DNA+into+twisted+and+curved+nanoscale+shapes.">Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes.</a> Science. 325, 725-730 (2009).</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=Self-assembly+of+DNA+into+nanoscale+three-dimensional+shapes.">Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes.</a> Nature. 459, 414-418 (2009).</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 Res. 37, 5001-5006 (2009).</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, 831-834 (2012).</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, 221-229 (1038).</li><li>Ke, Y., 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=Multilayer+DNA+origami+packed+on+a+square+lattice.">Multilayer DNA origami packed on a square lattice.</a> Journal of the American Chemical Society. 131, 15903-15908 (2009).</li><li>Mallikaratchy, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+aptamers+evolved+from+cell-SELEX+to+engineer+a+molecular+delivery+platform.">Using aptamers evolved from cell-SELEX to engineer a molecular delivery platform.</a> Chem. Commun. (Camb). , 3056-3058 (2009).</li><li>Hamad-Schifferli, K., Schwartz, J. J., Santos, A. T., Zhang, S., Jacobson, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Remote+electronic+control+of+DNA+hybridization+through+inductive+coupling+to+an+attached+metal+nanocrystal+antenna.">Remote electronic control of DNA hybridization through inductive coupling to an attached metal nanocrystal antenna.</a> Nature. 415, 152-155 (2002).</li></ol>

DNA-Origami ermöglicht es uns, genau definierten Objekten mit beliebigen Eigenschaften im Nanobereich herzustellen. Ein wichtiger nächster Schritt wäre die Integration der Funktion werden in dieser Entwürfe. Während viele Anwendungen und Herausforderungen, die mit dieser Technik behandelt werden könnten, gibt es ein besonderes Interesse an der Herstellung von therapeutischen und wissenschaftlichen Roboter aus DNA-Origami, da diese eine natürliche Milieu der DNA darstellen. DNA bereits Schnittstellen zu molekulare...

<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>Name of Reagent/Material</td>
 <td>Company</td>
 <td>Catalog Number</td>
 <td>Comments</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Autodesk Maya 2012</td>
 <td>Autodesk</td>
 <td></td>
 <td>A student/academic account needs to be created first (see platform-specific instructions in <a href="http://cadnano.org" target="_blank">http://cadnano.org</a>)</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>caDNAno 2.0 (software)</td>
 <td>(Open source)</td>
 <td></td>
 <td>Software for the design of DNA origami structures <a href="http://cadnano.org/" target="_blank">http://cadnano.org</a></td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Cando (webpage)</td>
 <td>(Open source)</td>
 <td></td>
 <td>Webpage running a simulator of DNA origami shapes <a href="http://cando-dna-origami.org" target="_blank">http://cando-dna-origami.org</a></td>
 </tr>
 </tbody>
</table>

designing a bio-responsive robot from dna origami

Nukleinsäuren sind erstaunlich vielseitig. Neben ihrer natürlichen Funktion als Speichermedium für biologische Informationen 1, sie in parallele Datenverarbeitung 2,3 verwendet werden können, erkennen und binden molekularen oder zellulären Targets 4,5, chemische Reaktionen katalysieren 6,7 und erzeugen berechnet Antworten in einer biologischen System 8,9. Wichtig ist, dass Nukleinsäuren in 2D-und 3D-Strukturen 10-12 Selbstorganisation programmiert werden, so dass die Integration aller dieser bemerkenswerten Merkmale in einem einzigen Roboter verbindet die Erfassung der biologischen Signale auf einen vorgegebenen Antwort, um eine gewünschte Wirkung auszuüben. Erstellen von Formen von Nukleinsäuren wurde zuerst von Seeman 13 vorgeschlagen, und einige Variationen zu diesem Thema wurden seitdem realisiert unter Verwendung verschiedener Techniken 11,12,14,15. Allerdings ist die wichtigste vielleicht die einzige von Rothemund vorgeschlagen, genannt eingerüstet DNA-Origami16. In dieser Technik wird das Falten eines langen (&gt; 7.000 Basen) einzelsträngige DNA &quot;Gerüst&quot; zu einer gewünschten Form von Hunderten von kurzen komplementären Stränge als &#39;Klammern&#39; gerichtet. Folding erfolgt durch Tempern Rampe durchgeführt. Diese Technik wurde erfolgreich in der Schaffung einer Vielfalt von 2D-Formen mit bemerkenswerter Präzision und Robustheit unter Beweis gestellt. DNA-Origami wurde später in 3D sowie 17,18 verlängert. Das aktuelle Papier wird auf dem caDNAno 2.0 Software 19 von Douglas und Kollegen entwickelt konzentrieren. caDNAno ist eine robuste, benutzerfreundliche CAD-Tool ermöglicht das Design von 2D-und 3D-DNA-Origami-Formen mit vielseitigen Funktionen. Der Design-Prozess beruht auf einem systematischen und genauen Abstraktion Regelung für DNA-Strukturen, so dass es relativ einfach und effizient. In diesem Beitrag zeigen wir den Aufbau eines DNA-Origami-nanorobot, das kürzlich 20 beschrieben. Dieser Roboter ist &#39;Roboter&#39; in dem Sinne, dass es Links zu Erfassen Betätigung, um eine Aufgabe zu erfüllen. Wir erläutern verschiedene Erfassungsschemata in die Struktur integriert werden können, und wie diese um einen gewünschten Effekt weitergeleitet werden. Schließlich verwenden wir Cando 21 um die mechanischen Eigenschaften der entworfenen Form simulieren. Das Konzept, das wir diskutieren können, um mehrere Aufgaben und Einstellungen angepasst werden.

<html> Die Zahlen 1-25 sind Screenshots der caDNAno 2.0-Schnittstelle, die den Design-Prozess Schritt-für-Schritt. Der Querschnitt der Form wurde zuerst skizziert (Abbildung 3), gefolgt durch automatische Zugabe von Gerüst Strang Fragmente und Fertigstellung des gesamten Gerüst Pfad (Abbildung 7). Staple Stränge werden automatisch hinzugefügt (Abbildung 12), gebrochen nach benutzerdefinierten Parametern (Abbildung 14), und manuell b...

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Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

DNA-Origami ist eine leistungsfähige Methode zur Herstellung nanoskaliger Objekte präzise durch die Programmierung der Selbstorganisation von DNA-Molekülen. Hier beschreiben wir, wie DNA-Origami genutzt werden, um einen Roboter Roboter erfassen kann biologische Signale und reagiert durch Shape Shifting, anschließend auf eine gewünschte Wirkung weitergeleitet zu entwerfen.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Haptische / Graphic Rehabilitation: Integration eines Roboters in einer virtuellen Umgebung Bibliothek und ihre Anwendung auf die Therapie von Schlaganfällen

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Forschung

Biotechnik

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Gestaltung Silk-Seidenprotein-Legierungen für biomedizinische Anwendungen

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Entwerfen Mikrofluidiksysteme für ein Studium zellulären Reaktionen Unter Einzel- oder Coexisting Chemie / Elektro / Schubspannung Stimuli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

Medical-Grade-sterilisierbar Ziel für Flüssig-getaucht fetoscope Optische Verzerrung Kalibrierung

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Optimierung der Nutzung eines Liquid Handling Roboters, einen hohen Durchsatz nach vorn Chemische Genetik Bildschirm von Arabidopsis Thaliana durchzuführen

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or ...

Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack

Design und Synthese eines rekonfigurierbaren DNA-Akkordeon-Racks

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 ...

Designing Porous Silicon Films as Carriers of Nerve Growth Factor

Gestaltung von porösem Silizium Filme als Träger von Nerve Growth Factor

Despite the great potential of NGF for treating neurodegenerative diseases, its therapeutic administration represents a significant challenge as the ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Isokinetic Robotic Device zur Verbesserung der Test-Retest und Inter-Rater Zuverlässigkeit für Stretch Reflex Messungen bei Schlaganfall-Patienten mit Spastik

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...