Name: dna nanotubes as a versatile tool to study semiflexible polymers
Uploaded: 2017-10-25T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers at JoVE.com

Vi erkjenner finansiering av DFG (1116/17-1) og Leipzig School of Natural Sciences "BuildMoNa" (GSC 185). Dette arbeidet har vært støttet gjennom Fraunhofer tiltrekke prosjektet 601 683. T. H. erkjenner finansiering fra European Social Fund (ESF-100077106).

1. forberedelse n HTs Merk: her, n angir antall ulike enkelt DNA tilnærmingene involvert i dannelsen av Spiralen rørene av en viss størrelse. N = 8, åtte ulike enkelt DNA tilnærmingene utgjør en enhet ring.
<ol><li>Kjøp DNA-sekvenser (HPLC renhet klasse eller høyere) fra en egnet DNA-syntese tjeneste eller utføre høykvalitets syntese og rensing (et eksemplarisk sekvenser er gitt i tabell 1).</li>
	<li>Resuspend lyofiliserte oligonucleot...

For å få riktig formet nettverk, er montering DNA nanorør et viktig skritt. Feil under synteseprosessen innvirkning negativ rør kvalitet; Det anbefales derfor at HPLC eller en strengere prosessen brukes til å rense oligonucleotides. Siden dannelsen av diskret enn akkumulert DNA nanorør, samt lengden distribusjonen, avhenger av den ekvimolare støkiometri av n konstituerende oligonucleotides innenfor settet, er det nødvendig å remeasure konsentrasjonen av innkjøpte tråder, siden gitt verdiene kan varier...

På grunn av de komplekse atferd aktivert etter unike mekaniske egenskaper, er semiflexible polymerer grunnleggende byggeklossene i levende materie. I motsetning til fleksible polymerer vedta semiflexible polymerer en utstrakt konfigurasjon på grunn av deres ikke-forsvinnende ryggraden stivhet og fortsatt underlagt sterk termiske fluktuasjoner1. Dermed kan ikke rent stokastiske modeller brukes på deres atferd, som med ekstreme fullt fleksible eller rigide polymerer. Såkalte ormen som kjeden modell2,3,4 ble utviklet for å kvantifisere dette stivhet via lp, som er decay konstant tangent-tangens korrelasjon langs filament4. Hvis lp kan sammenlignes med omkrets (lc) av filament, regnes polymer semiflexible1. Analoge til polakkene i et telt, deres arrangementer i nettverk eller bunter stabiliserer hele kollektive systemet på lavt volum fraksjoner, fører til uvanlig viskoelastiske egenskaper5,6,7, 8,9. Disse strukturene gir høy elastisiteter store mesh størrelser10, opprettholde mekanisk integritet mens fortsatt tilrettelegging diffusive og aktiv transport prosesser. Denne egenskapen er spesielt egnet for biologiske systemer som cytoskeleton eller ekstracellulær matrix, men det er også mye brukt i mat ingeniør1,11,12.
Går utover deres betydning til levende materie, er det avgjørende omfattende undersøke de fysiske egenskapene til disse strukturene for å få verktøy for å utvikle biomimetic materialer eller roman hydrogels. I semiflexible polymerer innebærer dette systematisk fastsettelse av kollektive egenskapene til nettverk som følge av enkelt-filament egenskaper som lp og utviklingen av en beskrivende teoretisk ramme. I banebrytende studier, mobilnettet Research begrepsordbok ble etablert som et modellsystem for semiflexible polymerer og regnes fortsatt mye gull standard5,13,14,15 , 16 , 17. men omfattende studier er begrenset med dette systemet siden de er bundet til de iboende egenskapene av dette proteinet. Ulike teoretiske tilnærminger har å bygge en beskrivelse av ikke-triviell mekanisk på enkelt-filament nivå og har ført til spesielt forskjellige skalering spådommer for avhengigheten av lineære elastiske platå skjær modulus, G 0 (dvs. "elastisitet" av nettverket) med hensyn til konsentrasjon (c) og lp6,7,13,14, 15,18,19,20,21,22,23. Mens konsentrasjon skaleringen er lett tilgjengelig i eksperimenter med utgangen-basert eller andre modellsystemer og mens teoretisk spådommer er blitt bekreftet13,16,24, 25, skaleringen med hensyn til lp har vært eksperimentelt utilgjengelig. Dette er imidlertid en stor begrensning siden lp er også en uavhengig variabel som definere antall semiflexible polymerer.
Dette sentrale, naturlige begrensning pålagt av fast lp av utgangen eller andre biologisk-baserte polymerer som kollagen har nylig blitt løst ved å bruke filbasert DNA rør, som er tunable i sine mekaniske egenskaper 9 , 26 , 27 , 28. små variasjoner i arkitekturene av rør (f.eks forskjellig antall deltagende DNA tråder i enhet ringen) gir distinkte verdier for lp, som kan evalueres via fluorescens mikroskopi, enten ved å analysere en varierende tube eller ved å evaluere buet konfigurasjoner av flere adhered rør, som beskrevet tidligere9,28. Disse analysene viste at lp -verdier mellom de ulike tube varierer over flere størrelsesorden og at ulike evaluering gir konsistente resultater9,28.
Overraskende, er den totale skaleringen av lineære elastiske platå skjær modulus G0 med hensyn til konsentrasjon og lp rapportert å være uforenlig med alle tidligere teoretiske tilnærminger 9, spesielt demonstrere en mye sterkere enn anslått avhengighet av lp. Disse funnene vektlegger verdien av en ny modellsystem å studere sentrale egenskapene til semiflexible polymerer. Ansette n-helix DNA rør dramatisk utvider omfanget av disse undersøkelsene. Ikke bare kan lp fritt variert uten å endre det grunnleggende materialet, men iboende programmerbare natur DNA kan aktivere systematisk undersøkelse av flere elementer som krysskoblinger eller kinetisk bytte prosesser. I tillegg disse rørene er løselig i vann, og i motsetning til de fleste proteiner, stabil i tilstrekkelig pH og ioniske forhold i flere uker, uten synlig fornedrelse9.
Å sette sammen disse rør, et atskilt sett med DNA oligonucleotides brukes, hver inneholder to domener deler komplementære base sekvenser til to nabokommunene tråder (på grunn av de spesifikke sekvensene, en enkelt tråd kan ikke danne strukturer som hårnåler). Sekvenser komplementære hybridize i en syklisk måte, danner innesluttet, halv-overlappende ringer n sammen dobbel-spiralformede segmenter (figur 1A og B). Disse ringene skjemaet på en diskret diameter (figur 1 c) og deres halv-overlappende konfigurasjon viser aksial klissete ender komplementær til en annen ring klissete ender. Dette selektiv tillegg med matchende oligonucleotides utløser en stabling ringer, fører til effektiv polymerisasjon av trådformede DNA helix rør størrelse n (nHT). Deres kontur lengder måle vanligvis flere mikrometer i lengde, og lengde distribusjonen er sammenlignes med begrepsordbok, filamenter,9,,26,,27,,28. Det har vært vist for lignende DNA nanorør at de faktisk viser polymerisasjon kinetics ligner begrepsordbok filamenter og piskehale som henger<su></su>p class = "xref" > 29. Avhengig av mange n av personlige DNA tilnærmingene som utgjør den grunnleggende ring strukturen, kan nHT arkitektur, samt sine omkrets og diameter, controllably endres. Mer DNA tilnærmingene øker omkretsen av ringer/rør, og tilsvarende arkitektoniske endringen Skift de mekaniske egenskapene til høyere lp verdier (figur 1 c), tilsvarer en høyere stivhet. På Mesoskopisk skala, oversette disse større lp verdiene til mindre bøyd konformasjonen på grunn av høyere stivhet (figur 1 d og E).

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="667">
	<tbody>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:169px;">AFM cantilever ACTA</td>
			<td style="width:196px;">AppNano</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">AFM - NanoWizard 3</td>
			<td style="width:196px;">JPK Instruments</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">CCD camera</td>
			<td style="width:196px;">Andor</td>
			<td style="width:123px;">iXon DV887</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">DMSO</td>
			<td style="width:196px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">D2650</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">DNA oligonucleotides</td>
			<td style="width:196px;">Biomers.net</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;">For sequences see Table 1</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:169px;">DNA Cy3-labeled oligonucleotides</td>
			<td style="width:196px;">Biomers.net</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;">For sequence see Table 1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">EDTA</td>
			<td style="width:196px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">E-9884</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Epi-fluorescence micro-scope</td>
			<td style="width:196px;">Leica</td>
			<td style="width:123px;">DM-IRB</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:169px;">MgCl2</td>
			<td style="width:196px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">M-8266</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Mica &#34;V1&#34;, 12 mm round</td>
			<td style="width:196px;">Plano GmbH</td>
			<td style="width:123px;">50-12</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">MicroAmp&#174; Fast Optical 96-Well Reaction Plate</td>
			<td style="width:196px;">Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td style="width:123px;">4346907</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">MicroAmp&#174; Optical Adhesive Film</td>
			<td style="width:196px;">Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td style="width:123px;">4306311</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">NanoDrop 1000 Spectrophotometer</td>
			<td style="width:196px;">Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">100x objective</td>
			<td style="width:196px;">Leica5</td>
			<td style="width:123px;">506168</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">Purified water</td>
			<td style="width:196px;">Merk Millipore - Milli-Q &#38; Elix</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Sapphire PCR tubes</td>
			<td style="width:196px;">Greiner Bio-One</td>
			<td style="width:123px;">683271</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">TProfessional Standard PCR Thermocycler</td>
			<td style="width:196px;">Core Life Sciences Inc.</td>
			<td style="width:123px;">070- Standard</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">7900HT Fast Real-Time PCR System</td>
			<td style="width:196px;">Applied Biosystems</td>
			<td style="width:123px;">4351405</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Rheometer</td>
			<td style="width:196px;">TA Instruments</td>
			<td style="width:123px;">ARES</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:169px;">SYBR&#174; Green I nucleic acid gel stain</td>
			<td style="width:196px;">Thermo Fisher Scientific Inc.</td>
			<td style="width:123px;">S7567</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:169px;">Tris</td>
			<td style="width:196px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:123px;">T4661</td>
			<td style="width:180px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:169px;">Triton X-100</td>
			<td style="width:196px;">Sigma-Aldrich Co.</td>
			<td style="width:123px;">X-100</td>
			<td style="width:180px;">Suppresses evaporation of sample at air-water interface</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

dna nanotubes as a versatile tool to study semiflexible polymers

Mekaniske egenskaper i komplekse, polymer-baserte myk saken, for eksempel celler eller Research nettverk, kan forstås i verken klassiske rammen av fleksible polymerer eller av stive stenger. Underliggende filamenter forblir utstrakt på grunn av deres ikke-forsvinnende ryggraden stivhet, som er kvantifisert via utholdenhet lengden (lp), men de er også sterke termisk store. Deres endelig bøying stivhet fører til unike og ikke-triviell kollektive mekanikken i bulk nettverk, slik at dannelsen av stabil stillaser på lavt volum fraksjoner samtidig som stor maske størrelsene. Dette underliggende prinsippet er utbredt i naturen (f.eks i celler og vev) minimere høy molekylær innholdet og dermed tilrettelegge diffusive eller aktiv transport. Deres biologiske virkningene og teknologiske bruksmuligheter i biokompatible hydrogels, har semiflexible polymerer vært gjenstand for betydelig studier. Imidlertid forble forståelig undersøkelser utfordrende siden de stolte på naturlige polymerer, som begrepsordbok filamenter, som ikke er fritt tunable. Til tross for disse begrensningene og mangel på syntetisk, mekanisk tunable og semiflexible polymerer, ble begrepsordbok filamenter etablert som den vanlige modellen. En stor begrensning er at sentrale antallet lp ikke kan stilles fritt for å studere virkningen på makroskopisk bulk strukturer. Denne begrensningen ble løst ved hjelp av strukturelt programmerbare DNA nanorør, aktivere kontrollert endring av filament stivhet. De er dannet gjennom filbasert design, der et atskilt sett med delvis komplementære tråder hybridize i en ring struktur med en diskret. Disse ringene funksjonen Trege ender, muliggjør effektiv polymerisasjon i filamenter flere mikrometer i lengde, og vise lignende polymerisasjon kinetics som naturlig biopolymers. På grunn av deres programmerbare mekanikere er disse rørene svært allsidig, romanen verktøy for å studere virkningen av lp på enkelt-molekylet samt bulk skalaen. I motsetning til utgangen filamenter, de forblir stabil over uker, uten nevneverdige degenerasjon, og deres er relativt enkel.

Montering av DNA nanorør via en temperatur rampe (figur 2) er en svært pålitelig metode til disse kunstig semiflexible polymerer. Disse polymerer har sammenlignbare egenskaper for motpartene naturlig forekommende, som begrepsordbok filamenter, men gir et mye bredere eksperimentelle rammeverk siden sine mekaniske egenskaper kan være controllably endret9,27 . Som biopolymers, de kan arrangeres i net...

Watch this Scientific Journal Video about DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers at JoVE.com

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Semiflexible polymerer vise unike mekaniske egenskaper som brukes mye av leve systemer. Systematiske studier på biopolymers er imidlertid begrenset siden egenskaper som polymer stivhet er utilgjengelig. Denne oppgaven beskriver hvordan denne begrensningen er circumvented ved programmerbare DNA nanorør, aktivere eksperimentelle studier av effekten av filament stivhet.

DNA nanorør som et allsidig verktøy for å studere 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 ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Shape Memory Polymers for Active Cell Culture

Shape memory polymers (SMPs) are a class of "smart" materials that have the ability to change from a fixed, temporary shape to a pre-determined permanent ...

The Three-Dimensional Human Skin Reconstruct Model: a Tool to Study Normal  Skin and Melanoma Progression

Most in vitro studies in experimental skin biology have been done in 2-dimensional (2D) monocultures, while accumulating evidence suggests that cells ...

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Skin Tattooing As A Novel Approach For DNA Vaccine Delivery

Skin tatovering som en ny tilnærming for DNA vaksine levering

Nucleic acid-based vaccination is a topic of growing interest, especially plasmid DNA (pDNA) encoding immunologically important antigens. After the ...

A Versatile Automated Platform for Micro-scale Cell Stimulation Experiments

En allsidig Automated Plattform for Micro-skala Cell Stimulering Experiments

Study of cells in culture (in vitro analysis) has provided important insight into complex biological systems. Conventional methods and equipment for in ...

A Microfluidic Chip for the Versatile Chemical Analysis of Single Cells

En Microfluidic Chip for Allsidig Kjemisk analyse av enkeltceller

We present a microfluidic device that enables the quantitative determination of intracellular biomolecules in multiple single cells in parallel. For this ...

Fluorescence-quenching of a Liposomal-encapsulated Near-infrared Fluorophore as a Tool for In Vivo Optical Imaging

Fluorescence-quenching of a Liposomal-encapsulated Near-infrared Fluorophore as a Tool for In Vivo Optical Imaging

Fluorescens-slukking av en Liposomalinnkapslet Nær-infrarød fluoroforen som et verktøy for<em&gt; I Vivo</em&gt; Optisk Imaging

Optical imaging offers a wide range of diagnostic modalities and has attracted a lot of interest as a tool for biomedical imaging. Despite the enormous ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

Syntesen av RGD-funksjon Hydrogeler som et verktøy for Therapeutic Applications

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

Engineering Molecular Recognition med Bio-mimetiske Polymers på enkelt Walled karbonnanorør

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the ...

A Versatile Method of Patterning Proteins and Cells

En allsidig Måte mønster Proteiner og celler

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning ...