Name: design and synthesis of a reconfigurable dna accordion rack
Uploaded: 2018-08-15T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack at JoVE.com

Diese Forschung wurde teilweise durch das Global Research Center Entwicklungsprogramm durch die National Research Foundation von Korea(NRF) gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft und IKT (MSIT) (2015K1A4A3047345) und Nano· unterstützt. Material Technology Development Program durch die National Research Foundation von Korea (NRF) gefördert durch das Ministerium für Wissenschaft und IKT (MSIT) (2012M3A7A9671610). Das Institute of Engineering Research an der Seoul National University zur Verfügung gestellt Forschungseinrichtungen für diese Arbeit. Autoren erkennen Dankbarkeit gegenüber Tae-Young Yoon (Biological Sciences, Seoul National University) bezüglich der Fluoreszenz-Spektroskopie für die Bund-Analyse.

1. Aufbau der 6 von 6 DNA-Akkordeon-Rack mit CaDNAno14
<ol><li>Herunterladen und installieren CaDNAno 2.0 Software14 um ein DNA-Akkordeon-Rack zu entwerfen (CaDNAno 2.5 ist auch verfügbar auf https://github.com/cadnano/cadnano2.5). Öffnen Sie CaDNAno14 , und klicken Sie auf das Quadrat-Werkzeug fügen Sie ein neues Bauteil mit einem quadratischen Gitter.</li>
	<li>Nummer jeder Strahl des Racks, Akkordeon und zeichnen Sie auf der ...

<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>

Dieses Protokoll stellt den gesamten Prozess aus Konstruktion, Simulation, Synthese und Analyse von der 2D DNA Akkordeon Grundregal. Das geänderte Design und Simulation Regeln sind beschrieben worden weil standard DNA Origami Design Rule anders, dass die DNA-Akkordeon-Rack zusätzliche Nukleotide an die Frequenzweichen für Flexibilität14,15hat. Aus diesem Grund erwarten wir, dass das Protokoll verschiedene Forschungen mit DNA-Akkordeon Regale beschleunigen kan...

Mechanische Systeme auf Basis von DNA Nanostrukturen oder DNA Nanomaschinen1,2,3,4,5 sind einzigartig, weil sie komplexe nanoskaligen Bewegung in 2D und 3D in den Nanometer zu produzieren Ångström Auflösung, nach verschiedenen biomolekularen Reize2,3,6. Durch Anbringen von funktionalen Materialien auf diese Strukturen und ihre Positionen zu kontrollieren, können diese Strukturen in verschiedenen Bereichen angewendet werden. Zum Beispiel wurden DNA-Nanomaschinen für eine molekulare Reaktor7, Drug-Delivery-8und Nanoplasmonic Systeme9,10vorgeschlagen.
Zuvor führten wir die rekonfigurierbare DNA-Akkordeon-Rack, die eine 2D oder 3D nanoskaligen Netzwerk Elemente11 (Abbildung 1A) manipulieren kann. Im Gegensatz zu anderen DNA-Nanomaschinen, die nur wenige Elemente steuern, kann die Plattform gemeinsam periodisch angeordneten 2D oder 3D Elemente in verschiedenen Stadien zu manipulieren. Wir erwarten, dass eine programmierbare chemische und biologische Reaktion-Netzwerk oder einem molekularen Computersystem aus unserem System gebaut werden kann durch die Erhöhung der Anzahl der steuerbaren Elemente. Das DNA-Akkordeon-Rack ist eine Struktur, in der das Netzwerk mehrere DNA-Balken mit Gelenken bestehend aus einzelsträngiger DNA (Abbildung 1 b) verbunden ist. Das Akkordeon Rack durch die DNA-Balken erzeugt wird durch die DNS-Sperren neu konfiguriert die hybridisieren auf den klebrigen Teil der Strahlen und ändern Sie den Winkel zwischen den Balken entsprechend der Länge der Brücke Teil der Schleusen (gesperrten Zustand). Darüber hinaus zeigt mehrstufigen Neukonfiguration durch das Hinzufügen von neuen Schleusen nach Bildung des Freistaates durch DNA-Sperren durch Brückenkopf-basierte Strang Verdrängung12,13abnehmen.
In diesem Protokoll beschreiben wir den Gesamtprozess für Design und die Synthese der rekonfigurierbare DNA-Akkordeon-Rack. Das Protokoll umfasst Konstruktion, Simulation, nass-Laborversuche und Analyse für die Synthese von DNA-Akkordeon Rack 6 mal 6 Maschen und eine Neukonfiguration von diesen. Die Struktur des Protokolls ist das Basismodell der bisherigen Forschung11 und 65 nm von 65 nm Größe, bestehend aus 14 Strahlen. In Bezug auf die Konstruktion und Simulation unterscheidet sich der konstruktive Aufbau des Akkordeon Racks von konventionellen DNA Origami14,15 (d. h. dicht gepackt). Daher wurden die Gestaltungsregel und molekulare Simulation von traditionellen Methoden modifiziert. Um zu demonstrieren, zeigen wir die Designtechnik mit der modifizierten Ansatz von CaDNAno14 und die Simulation des Akkordeon Racks mit zusätzliche Skripte OxDNA16,17 . Schließlich sind beide Protokolle der TEM und Bund für die Analyse der konfigurierten Akkordeon Rack Strukturen beschrieben.

<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-Nanostruktur-basierte mechanische Systeme oder DNA Nanomaschinen, die komplexe nanoskaligen Bewegung in 2D und 3D in den Nanometer Ångström Auflösung zu produzieren, zeigen großes Potenzial in verschiedenen Bereichen der Nanotechnologie wie die molekulare Reaktoren, Drug-Delivery, und Nanoplasmonic Systeme. Rekonfigurierbare DNA Akkordeon Rack, die gemeinsam eine 2D oder 3D nanoskaligen Netzwerk Elemente, in mehreren Stufen in Reaktion auf die DNA-Eingaben ändern können, wird beschrieben. Die Plattform hat Potenzial, die Anzahl der Elemente zu erhöhen, die DNA Nanomaschinen maßstabsgetreu ein Netzwerk mit mehreren Stufen der Neukonfiguration von ein paar Elemente kontrollieren kann.
In diesem Protokoll beschreiben wir den gesamten experimentellen Prozess der rekonfigurierbare DNA-Akkordeon-Rack 6 mal 6 Maschen. Das Protokoll enthält ein Berechnungsvorgang Regel und Simulation der Strukturen und eine nass-Laborversuch für Synthese und Neukonfiguration. Darüber hinaus ist die Analyse der Struktur mit TEM (Transmissions-Elektronenmikroskopie) und FRET (Fluoreszenz Resonanz Energietransfer) im Protokoll enthalten. Die neuartige Konstruktion und Simulation Methoden fallen in diesem Protokoll unterstützen Forscher, die DNA-Akkordeon-Rack für weitere Anwendungen zu verwenden.

Gestalteten 6 mal 6 DNA Akkordeon Rack wird von den OxDNA16,17 simuliert und die Ergebnisse sind in Abbildung 6dargestellt. Aus dem Simulationsergebnis bestätigte sich, dass die beabsichtigte Struktur ohne Verzerrung der Struktur gebildet wird.
Die TEM-Bilder in Abbildung 7 sind Bilder der konfigurierten Strukt...

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Design and Synthesis of a Reconfigurable DNA Accordion Rack

Wir beschreiben das ausführliche Protokoll für Konstruktion, Simulation, nass-Laborversuche und Analyse für eine rekonfigurierbare DNA Akkordeon Rack 6 mal 6 Maschen.

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 ...

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