Name: designing a bio-responsive robot from dna origami
Uploaded: 2013-07-08T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami at JoVE.com

Författarna vill tacka S. Douglas för extremt värdefulla diskussioner och råd, och alla medlemmar i Bachelet labbet för bra diskussioner och arbete. Detta arbete stöds av bidrag från fakulteten för livsvetenskaper och Institute of Nanotechnology &amp; Advanced Materials vid Bar-Ilan University.

Roboten kommer vi att utforma i denna uppsats svarar på ett protein P genom att göra en last C tillgängligt för att binda till receptorer på ytan av ett valt mål cell. Roboten visas i figur 1 C kan vara en receptor-blockerande läkemedel,. En tillväxtfaktor etc, och ett sätt att kemiskt länka den till en DNA-oligonukleotid skall vara tillgänglig som inte förstör dess funktion. Roboten har två tillstånd. När inaktiv, DNA grindar på de två yttre läppar &quot;hy...

<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. P., 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=Isolation+of+new+ribozymes+from+a+large+pool+of+random+sequences+[see+comment].">Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences [see comment].</a> Science. 261, 1411-1418 (1993).</li><li>Benenson, Y., Gil, B., Ben-Dor, U., Adar, R., Shapiro, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+autonomous+molecular+computer+for+logical+control+of+gene+expression.">An autonomous molecular computer for logical control of gene expression.</a> Nature. 429, 423-429 (2004).</li><li>Xie, Z., Wroblewska, L., Prochazka, L., Weiss, R., Benenson, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-input+RNAi-based+logic+circuit+for+identification+of+specific+cancer+cells.">Multi-input RNAi-based logic circuit for identification of specific cancer cells.</a> Science. 333, 1307-1311 (2011).</li><li>Rothemund, P. 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 gör att vi kan tillverka exakt definierade objekt med godtyckliga funktioner i nanoskala. Ett viktigt nästa steg skulle vara att integrera funktionen i dessa konstruktioner. Medan många tillämpningar och utmaningar kan hanteras med denna teknik, det finns ett särskilt intresse av att tillverka terapeutiska och vetenskapliga robotar från DNA origami, eftersom dessa utgör en naturlig miljö av DNA. DNA gränssnitt redan med molekylära maskineriet i cellerna som en genetisk information lagringsmedium. I...

<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

Nukleinsyror är förvånansvärt mångsidig. Förutom deras naturliga roll som lagringsmedium för biologisk information 1, kan de användas i parallella beräkningar 2,3, känna igen och binda molekylära eller cellulära mål 4,5, katalysera kemiska reaktioner 6,7, och generera beräknade svar i ett biologiskt systemet 8,9. Viktigt kan nukleinsyror programmeras att själv montera in 2D-och 3D-konstruktioner 10-12, möjliggöra integrering av alla dessa fantastiska funktioner i en enda robot som förenar avkänning av biologiska ledtrådar till en förinställd svar i syfte att utöva en önskad effekt. Skapa former från nukleinsyror först föreslogs av Seeman 13, och flera variationer på detta tema har sedan realiserats med hjälp av olika tekniker 11,12,14,15. Dock är det mest betydelsefulla kanske den som föreslås av Rothemund, benämnd bygga ställning DNA origami16. I denna teknik, är vikningen av en lång (&gt; 7000 baser) enkelsträngat DNA &quot;byggnadsställning&quot; riktad till en önskad form av hundratals korta komplementära strängar benämnda &quot;klammer&quot;. Folding utförs av temperatur glödgning ramp. Denna teknik demonstrerades framgångsrikt i skapandet av en mångfald av 2D-former med anmärkningsvärd precision och robusthet. DNA origami utvidgades senare till 3D samt 17,18. Den aktuella papper kommer att fokusera på caDNAno 2.0-programvara 19 utvecklats av Douglas och kollegor. caDNAno är en robust, användarvänlig CAD-verktyg som möjliggör konstruktion av 2D-och 3D-DNA origami-former med mångsidiga funktioner. Designprocessen bygger på en systematisk och noggrann abstraktion system för DNA-strukturer, vilket gör det relativt enkelt och effektivt. I denna artikel visar utformningen av en DNA-origami nanorobot som nyligen har beskrivits 20. Denna robot är &quot;robot&quot; i den meningen att den knyter avkänning till aktivering, för att utföra en uppgift. Vi förklarar hur olika sensing system kan integreras i strukturen, och hur detta kan förmedlas till en önskad effekt. Slutligen använder vi Cando 21 för att simulera de mekaniska egenskaperna hos den designade form. Konceptet diskuterar vi kan anpassas till flera uppgifter och inställningar.

<html> Figurerna är 1-25 skärmdumpar av caDNAno 2.0-gränssnittet visar designprocessen steg-för-steg. Tvärsnittet av formen var först beskrevs (Figur 3), följt av automatisk tillsats av byggnadsställning strand fragment och färdigställande av hela ställningen vägen (Figur 7). Staple strängar läggs automatiskt (Figur 12), fördelade enligt användardefinierade parametrar (Figur 14), och redigeras manuellt f?...

Watch this Scientific Journal Video about Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami at JoVE.com

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

DNA origami är en kraftfull metod för att tillverka exakta nanoskala objekt genom att programmera självorganisering av DNA-molekyler. Här beskriver vi hur DNA origami kan utnyttjas för att utforma en robot robot kan avkänna biologiska signaler och svara efter form skiftande, därefter vidarebefordras till en önskad effekt.

Designa en Bio-lyhörd robot från 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

Haptisk / Grafisk Rehabilitering: Att integrera en robot i en virtuell miljö Bibliotek och tillämpa den på Stroke Terapi

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

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Anpassning av en haptisk robot i en 3T fMRI

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

Designa Silk-silkesprotein Alloy Material för biomedicinska tillämpningar

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

Utforma mikroflödessystem enheter för att studera cellulära svaren Under Singel eller samexisterande Chemical / Elektrisk / Shear stresstimuli

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

Medicinsk kvalitet Steriliserbart mål för Fluid-nedsänkt fetoscope Optical Distortion Kalibrering

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 nanorör som ett mångsidigt verktyg för att studera Semiflexible polymerer

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

Optimera användningen av en flytande hantering Robot att utföra en hög genomströmning fram kemisk genetik skärm av Arabidopsis thaliana.

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 och syntes av ett dragspel omkonfigurerbara DNA-Rack

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

Utforma porösa Silicon filmer som bärare av nervtillväxtfaktor

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

ISO Kinetic Robotic Device för att förbättra test-omtest och Inter-bedömare tillförlitlighet för stretch reflex mätningar hos strokepatienter med spasticitet

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