Name: assembly of gold nanorods into chiral plasmonic metamolecules using dna origami templates
Uploaded: 2019-03-05T14:30:00
Duration: 9 min 17 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates at JoVE.com

Författarna vill tacka S. Voutilainen för hennes hjälp med CD spektrometer. Författarna erkänner tillhandahållande av faciliteter och teknisk support av Aalto-universitetet på OtaNano - Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC). Detta arbete stöds av Finlands Akademi (grant 308992) och Europeiska unionens programmet Horisont 2020 forskning och innovation under Marie Skłodowska-Curie bidragsöverenskommelsen nr 71364.

1. utformningen av de DNA-origami
<ol><li>Identifiera den önska relativa rumsliga ordningen av AuNRs och lämplig form av mallen för DNA-origami (figur 1A). Uppskatta strukturella parametrar för AuNRs och origami mallarna. Leta upp de ungefärliga positionerna av klammer som behöver ytterligare ändringar (figur 1B).</li>
	<li>Hämta och installera caDNAno18 för att designa en mall för DNA-origami. I caDNAno, route de byggnadsställning och häftning trådar enligt önskad form av mallen och generera krampa strands sekvensen genom att klicka på Seq verktyg. Klicka på Paint Tool och markera de krampa trådar som kräver ytterligare ändringar (figur 1C).</li>
	<li>Klicka på Exportera verktyg för att exportera de krampa DNA-sekvenserna (figur 1C) till en CSV-fil.</li>
	<li>Design dubbelsträngat lås fixar den vinkel Θ mellan två origami buntarna. Beroende på den relativa orienteringen av de två buntarna, kan den origami konstruktionen anpassa vänster - eller högerhänta (VÄ/hö) kirala rumsliga konfiguration (figur 1B).</li>
	<li>Importera de häftklamrar.csv-filen till ett kalkylprogram. Lägga till en polyA10 sekvens i slutet av de häftklamrar som används för AuNR montering (handtag). Ändra krampa trådar på utformade lås webbplatser med lock sekvenser. Obs: Församlingarna i representativa resultat innehåller 36 handtag utskjutande i 3' slutet av krampa strandar, 18 på varje DNA origami bunt, jämnt fördelade på två parallella spiraler varje 21 nt. Avståndet mellan först och den sista handtag positionen är 168 nt, cirka 57 nm (se den bifoga caDNAno-filen).</li>
</ol>2. montering av DNA origami mallar
<ol><li>Förbereda en fungerande lager krampa kardeler (SM), inklusive delarna med handtag och lås, genom att blanda lika mängder koncentration-normaliserade krampa oligonukleotider (t.ex., 100 µM). Obs: Origami strukturer innehåller vanligtvis flera hundra krampa kardeler. Staples köps vanligtvis från leverantörer som specialiserar i den kemiska syntesen av DNA oligonukleotider multiwell (t.ex., 96 brunnar) plattor.</li>
	<li>För 500 µL 10 nM origami, blanda 50 µL av Tris-EDTA (TE, 10 x), 100 µL av MgCl2 (100 mM), 25 µL av NaCl (100 mM), 175 µL av H2O, 100 µL av SM (0,5 µM), 5 µL lås kardeler (5 µM) , och en 50 µL byggnadsställning (100 nM).</li>
	<li>Glödga blandningen i en termocykler från 80 ° C till 20 ° C som beskrivs i tabell 1.</li>
</ol>3. DNA origami rening
Obs: Det här avsnittet beskrivs i protokollet för agaros gel rening. DNA-origami mallar kan också renas med hjälp av alternativa metoder38,39.
<ol><li>För 1% gel, lös upp 1 g av agaros i 100 mL Tris-Borat-EDTA (TBE, 0,5 x) genom att värma blandningen i en mikrovågsugn. Tillsätt 10 µL av 10.000 x DNA fläcken enligt specifikationen fläcken. För att minimera exponeringen för UV-ljus vid utvinning steg (steg 3.6), använda en DNA-fläck som kan visualiseras under blå excitation.</li>
	<li>Kyl lösningen på ca 40 ° C och tillsätt 1 mL av MgCl2 (1,3 M) under omskakning. Gjutna gel och inkubera i 30 min i rumstemperatur.</li>
	<li>Ställ in enheten på elektrofores och häll kall (4 ° C) kör buffert (0,5 x TBE med 11 mM MgCl2) i rutan gel. Placera rutan gel i en ice vattenbad.</li>
	<li>Lägg till lastning buffert till origami proverna (6 x lastning buffert innehåller 15% polysucrose 400 och 0,25% bromofenolblått i vatten). Läsa in proverna i brunnarna med en ordentlig volym enligt kammen används (t.ex., 50 µL för en 8-bra kam på 1,5 mm i tjocklek).</li>
	<li>Kör elektrofores för 2 h vid 80 V. Obs: För att karakterisera origami och separera den öppna och slutna strukturen, Använd 2% gel istället för 1% och förlänga den rinnande tiden till 4 h.</li>
	<li>Bild gelen med gel kameran (figur 2). Använd en blå ljus transilluminator för att visualisera banden, skära origami bandet, krossa gelen på ett parafilm och extrahera vätskan. Återhämtning avkastningen är cirka 40%.</li>
	<li>Pipettera vätskan i en centrifugal filterenheten och spinn vid 3 000 x g för 5 min. mäta upptaget av origami lösningen på 260 nm med en UV-synliga (UV-VIS) spektrometer. Beräkna koncentrationen av origami med en extinktionskoefficient 1,3 x 108 M-1·cm-1. Obs: Den typiska koncentrationen av origami lösning efter agaros gel rening är 1-2 nM.</li>
	<li>Lagra renat origami mallarna vid 4 ° C för senare användning.</li>
</ol>4. Sammanfattning av guld nanorör
Obs: Protokollet för AuNR syntes är anpassad från tidigare litteratur40 med smärre ändringar.
<ol><li>Tvätta allt glas med kungsvatten för 5 min, skölj med vatten, Sonikera det med ultrarent vatten och torka den innan användning.</li>
	<li>Förbereda 0,2 M hexadecyltrimethylammonium metylbromid (CTAB), 1 mM HAuCl4, 4 mM AgNO3, 64 mM L (+)-askorbinsyra och 6 mM NaBH4. Använd kallt vatten (4 ° C) för att upplösa NaBH4 och hålla den i kylskåp vid 4 ° C. Ascorbic syra lösningen måste vara nyberedd. Varning: CTAB är farligt vid hudkontakt (irriterande), ögonkontakt (irriterande), förtäring och inandning. Använd lämpliga skyddskläder. Använd lämpligt andningsskydd vid otillräcklig ventilation. NaBH4 är extremt farligt vid hudkontakt (irriterande), ögonkontakt (irriterande), förtäring och inandning. Bära splash glasögon, en labbrock, handskar och en ånga och damm respirator. Var noga med att använda en godkänd/certifierad respirator eller motsvarande.</li>
	<li>Förbereda Au frön.<ol>
<li>Tillsätt 500 µL av CTAB (0,2 M), 250 µL av ultrarent vatten och 250 µL av HAuCl4 (1 mM) i en injektionsflaska av glas. Rör vid 450 rpm i rumstemperatur i 5 min.</li>
		<li>Öka omrörningshastigheten till 1200 rpm. Tillsätt 100 µL kallt NaBH4 lösning (6 mM, 4 ° C). Efter 2 min, stannar omrörningen och inkubera lösningen i ett vattenbad vid 30 ° C i 30 min innan användning.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Förbered AuNRs.<ol>
<li>Lös 0,55 g CTAB och 0,037 g 2,6-dihydroxybenzoic syra i 15 mL varmt vatten (60-65 ° C) i en runda-botten kolv. Kyla ner lösningen till 30 ° C, tillsätt 600 µL av AgNO3 (4 mM) och rör vid 450 rpm i 2 min. Sedan lämna lösningen ostört för 15 min vid 30 ° C.</li>
		<li>Tillsätt 15 mL HAuCl4 (1 mM) till lösningen, och rör vid 450 rpm för 15 min. Tillsätt 120 µL av L (+)-askorbinsyra (64 mM), och sedan omedelbart, rör vid 1200 rpm för 30 s. Lägg 12 µL av Au frön och Håll omrörning vid 1200 rpm för 30 s.</li>
		<li>Inkubera lösningen i ett vattenbad vid 30 ° C i 18 h. Inte störa lösningen och Använd en mössa till tillslut kolven.</li>
		<li>Överföra den resulterande lösningen till centrifugrör och centrifugera vid 9500 x g under 12 minuter vid 20 ° C. Kassera supernatanten, skingra pelleten i 20 mL ultrarent vatten och utföra ett centrifugering steg.</li>
		<li>Skingra den slutliga pelleten i 3 mL destillerat vatten. Beräkna koncentrationen av AuNRs från en UV-VIS absorptionsmätning med utrotning koefficienten för längsgående plasmon resonansen. En extinktionskoefficient kan förutsägas med hjälp av AuNR form parametrar41. Lagra AuNRs vid 4 ° C för vidare användning.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. funktionalisering av guld nanorör med enkelsträngat DNA
Obs: Det här avsnittet beskrivs protokollet för AuNR funktionalisering med enkelsträngat DNA (ssDNA), efter den så kallade lågt pH rutten anpassad från tidigare litteratur42. De AuNRs täckt med DNA renas genom centrifugering; rening kan alternativt utföras använda agaros gelelektrofores.
<ol><li>Inkubera 20 µL av thiol-functionalized Mila DNA-strängar (1 mM) med 20 µL av nylagade tris(2-carboxyethyl) fosfin hydroklorid (TCEP, 14 mM) för 1 h att minska disulfide obligationer. Obs: Formuläret thiol obligationer med AuNRs, och sekvensen Mila hybridizes med polyA10 handtaget på origami, där alltför många eller för få baspar kan leda till ett fel eller en instabil sammansättning. Varning: TCEP kan orsaka allvarliga frätskador på hud och ögon. Använd skyddshandskar/skyddskläder/ögonskydd/ansiktsskydd.</li>
	<li>Blanda 150 µL av AuNRs (10 nM) och 40 µL av TCEP-behandlade thiol-DNA (0,5 mM). Lägg till 1% sodium dodecyl sulfate (SDS) till AuNR lösning för att nå en slutlig SDS koncentration på 0,05%. Justera pH till 2,5-3 med ~ 1 µL av HCl (1 M).</li>
	<li>Inkubera i 2 h under omskakning vid 70 rpm. Obs: AuNR-till-DNA förhållandet bör vara i storleksordningen 1:5, 000-15 000, beroende på storleken på stängerna. För AuNRs (70 nm x 30 nm) förberett följande protokollet beskrivs i avsnitt 4, en överflödig 13.000 thiol-DNA rekommenderas.</li>
	<li>Lägg till NaCl för att nå en slutlig NaCl samordning av 0,5 M och inkubera i 4 h i rumstemperatur under omskakning vid 70 rpm. Obs: En färgförändring i detta steg kan indikera en misslyckad DNA funktionalisering.</li>
	<li>Justera pH till ~8.5 med TBE-buffert (10 x) och inkubera över natten.</li>
	<li>Tvätta den DNA-AuNRs 4 x genom att blanda proverna med 1 mL tvätt buffert (0,5 x TBE med 0,1% SDS), och centrifugera vid 7000 x g i 30 min. avlägsna supernatanten och återsuspendera den DNA-AuNRs i den återstående vätskan (~ 40 µL). Beräkna koncentrationen av DNA-AuNRs från en UV-VIS absorptionsmätning som beskrivs i steg 4.4.5. Obs: Lösningen kan bli lätt 'grumlig' steg 5.3-5.4 på grund av CTAB ersättning från ytan av AuNRs av thiol-DNA. Lösningen bör bli klart vid uppvärmning upp till ~ 35 ° C i 5 min.</li>
</ol>6. montering av guld nanorör på DNA origami mallar
<ol><li>Lägg till MgCl2 till lösningen av renad DNA-AuNRs, till en slutlig koncentration av 10 mM. Blanda renade DNA-AuNRs och origami att förhållandet 10:1. Obs: En lägre kvot kan minska den produkt avkastning43.</li>
	<li>Glödga blandningen i en mixer med en temperaturreglering från 40 ° C till 20 ° C under omskakning vid 400 rpm, enligt förfarandet som i tabell 2. Obs: För CD karakterisering, provet kan mätas efter detta steg utan ytterligare rening.</li>
	<li>Använd 0,7% agaros gel-elektrofores (3,5 h vid 80 V) att rena de slutliga origami-AuNR strukturerna.</li>
	<li>Använd en vit ljus transilluminator för avbildning. Skär produkt bandet (origami-AuNR dimer) (figur 3), krossa gelen på ett parafilm och extrahera vätskan. Pipett vätskan till en centrifugal filterenheten och spinn vid 3 000 x g för 5 min. Återsuspendera den origami-AuNRs i lösningen. Återhämtning avkastningen från gelen är cirka 50%.</li>
	<li>Beräkna koncentrationen av origami-AuNR strukturer från en UV-VIS absorptionsmätning som beskrivs i steg 4.4.5.</li>
</ol>7. överföring elektronmikroskopi imaging
Obs: Denna uranyl formate (UFo) färgning protokoll är anpassat från tidigare litteratur44.
<ol><li>Blanda 200 µL UFo lösning (0,75%) och 1 µL av NaOH (5 M) och vortex omedelbart för 2-3 min. Centrifugera fläcken lösningen för 3-4 min på 14 000 x g. Skydda fläcken från ljusexponering (t.ex. genom att Linda den i aluminiumfolie). Varning: UFo är giftiga vid inandning eller förtäring och kan orsaka ögonirritation. Vid kortvarig exponering eller låg förorening, använda ett andningsskydd enhet. Vid intensiv eller längre exponering, Använd en fristående andningsskydd. Använd handskar. Handskmaterialet måste vara ogenomtränglig och resistenta mot UFo och dess lösningar. Tätslutande skyddsglasögon.</li>
	<li>Glöd-ansvarsfrihet kol/formvar-belagda TEM galler för 6 s precis före användning att öka hydrophilicitet och främja stickning av strukturerna. Pipettera 5 µL prov droppar på rutnätet TEM, Inkubera i 5-8 min och ta bort rullgardinsmenyn genom att försiktigt trycka ett filterpapper med kanten av rutnätet.</li>
	<li>Pipettera en stor (~ 20 µL) och en liten (~ 10 µL) droppe av fläcken lösningen på en parafilm. Sätta rutnätet på den lilla fläck lösning droppe och torka omedelbart genom att vidröra filterpappret med kanten av rutnätet. Sedan, sätta det på det stora fläck lösning droppa för 30 s.</li>
	<li>Avlägsna vätskan i rutnätet genom att vidröra filterpappret med kanten av rutnätet. Placera rutnätet i hållaren rutnät. Vänta på nätet för att torka i minst 10 min.</li>
	<li>Karakterisera proverna av origami (figur 4), AuNRs (figur 5) och origami-AuNRs (figur 6) av TEM.</li>
</ol>8. cirkulärdichroism mätning
<ol><li>Rensa CD spektrometern med N2 för 20 min. Obs: De flesta av de CD-spektrometrar kräver rensning med N2 innan lampan tändning. Handboken CD spektrometer.</li>
	<li>Ange bandbredd, skanning utbud och förvärv steg. Obs: Skanning intervallet beror på AuNRs, som beror på storleken på AuNRs optiska egenskaper.</li>
	<li>Åtgärd tom CD med buffert.</li>
	<li>Mäta CD spektra av origami-AuNR prover (figur 7). Obs: Använd kvartar eller glas kyvetter för CD mätning. Plast kyvetter är olämpliga för CD spektroskopi. Dessutom tillåta de flesta CD-spektrometrar samtidig förvärvet av absorption och CD-data.</li>
</ol>

Författarna har något att avslöja.

Protokollet införs hela arbetsflödet för konstruktion, montering, rening och karakterisering av DNA origami-baserade kirala sammansättningar av AuNRs. De DNA-origami mallar som används i protokollet är särskilt lämpade för tillverkning av stimuli-lyhörd församlingar. Olika typer av svar och functionalizes kan införlivas i de låsa trådar som definierar den kirala delstaten origami mall (figur 1B)24,25,26,31. För statiska församlingar är enklare block-formade mallar ofta tillräcklig14,45,46,47.
DNA-origami-baserade metoden för tillverkning av plasmoniska nanostruktur ärver begränsningar av DNA origami teknik48. Storleken av origami mallarna är vanligtvis begränsad av storleken på byggnadsställning strand. Stabiliteten i DNA strukturer minskas under lag-salta förhållanden. Kostnaden för syntetiska stapelvara strandar förblir ganska hög. Senaste utvecklingen inom fältet för strukturella DNA nanoteknik väntas dock att övervinna dessa begränsningar49,50,51,52,53,54 , 55.
DNA-origami jämfört med andra molekylär-baserade metoder för att generera kirala församlingar i AuNRs34,35,36,37, och ger en hög nivå av rumsliga precision och programmering.
För att nå tillförlitliga och reproducerbara optiska Svaren av kirala församlingar, rekommenderar vi att du anpassar protokollen för AuNR syntes40, eftersom kvaliteten och optiska egenskaper av kommersiella produkter kan variera mellan partier. Ytterligare glödgning (steg 6,2) är ofta avgörande för att säkerställa rätt fastsättning av AuNRs till DNA-origami mallar (figur 6).
Slutligen, i protokollet som beskrivs här är inte begränsat till kirala församlingar. DNA-origami ger en mycket flexibel plattform för tillverkning av komplexa plasmoniska nanostrukturer9,10.

Nanostrukturer i DNA, DNA-origami i synnerhet har använts att ordna molekyler och andra nanoskala komponenter (t.ex. proteiner och nanopartiklar [NPs]), med nanometer precision in nästan godtyckliga geometrier1,2 , 3 , 4 , 5. förmåga att ordna metall NPs på DNA origami mallar med hög kapacitet och noggrannhet möjliggör tillverkning av plasmoniska strukturer med romanen optiska egenskaper6,7,8, 9 , 10. DNA-origami teknik är särskilt användbart för generering av kirala plasmoniska strukturer som kräver verkligt tredimensionella arkitekturer11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20.
Det här protokollet beskriver i detalj hela processen för tillverkning av DNA origami-mallade kirala sammansättningar av AuNRs. Programvaran används för design21 och struktur förutsägelse22,23 i DNA-origami är intuitivt och fritt tillgängliga. Den origami fabrication och AuNR syntes använder gemensamma biokemi labbutrustning (t.ex. thermocyclers, gelelektrofores, värmeplattor, centrifuger). Strukturer karakteriseras med hjälp av standard TEM och CD-spektroskopi.
Tillverkning av liknande plasmoniska nanostrukturer med top-down metoder (t.ex. electron beam lithography) skulle kräva ganska komplicerad och dyr utrustning. Dessutom tillhandahålla DNA origami mallar möjligheten att införliva strukturella omkonfigurerbarheten i plasmoniska församlingar24,25,26,27,28,29 ,30,31,32,33, vilket är extremt utmanande för strukturer som fabricerade med litografi tekniker. Jämfört med andra molekylär-baserade metoder34,35,36,37, ger DNA origami-baserade tillverkning hög rumsliga precision och programmering.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:568px;" width="567">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">2,6-Dihydroxybenzoic acid</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">D109606-25</td>
			<td style="width:128px;">98+%</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:26px;width:179px;">AgNO3</td>
			<td style="width:163px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:99px;">AA1141414</td>
			<td style="width:128px;">99.90%</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Blue light transilluminator&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Nippon Genetics</td>
			<td style="width:99px;">FG-06</td>
			<td style="width:128px;">FastGene LED Transilluminator</td>
		</tr>
		<tr height="51">
			<td height="51" style="height:51px;width:179px;">Bromophenol Blue</td>
			<td style="width:163px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:99px;">403160050</td>
			<td style="width:128px;">For agarorose gel&#160; loading buffer</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Centrifugal filter units</td>
			<td style="width:163px;">Merck Millipore</td>
			<td style="width:99px;">42600</td>
			<td style="width:128px;">DNA extraction from agarose</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Chirascan CD spectrometer&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Applied Photophysics</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Cuvette&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Hellma&#160;</td>
			<td style="width:99px;">105-202-85-40</td>
			<td style="width:128px;">Quartz SUPRASIL</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">DNA lobind tubes</td>
			<td style="width:163px;">Eppendorf</td>
			<td style="width:99px;">30108051</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Eppendorf Biospectrometer&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Eppendorf</td>
			<td style="width:99px;">6135000904</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Eppendorf ThermoMixer C</td>
			<td style="width:163px;">Eppendorf</td>
			<td style="width:99px;">5382000015</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:179px;">Ficoll 400</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific&#160;</td>
			<td style="width:99px;">BP525-10</td>
			<td style="width:128px;">Polysucrose 400 (For agarorose gel&#160; loading buffer)</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Gel electrophoresis sets</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Gel imager</td>
			<td style="width:163px;">Bio-Rad</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;">Gel Doc XR+ System&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:26px;width:179px;">HAuCl4&#8226;3H2O</td>
			<td style="width:163px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:99px;">AA3640006</td>
			<td style="width:128px;">99.99%</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">HCl&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Scharlau</td>
			<td style="width:99px;">AC07441000</td>
			<td style="width:128px;">1M</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB)</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">H9151-100</td>
			<td style="width:128px;">BioXtra, 98+%</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">L(+)-ascorbic acid</td>
			<td style="width:163px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:99px;">401471000</td>
			<td style="width:128px;">99+%</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">M13p7560 scaffold strand</td>
			<td style="width:163px;">Tilibit nanosystems</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:26px;width:179px;">MgCl2&#8226;6H2O</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">M2670-500</td>
			<td style="width:128px;">BioXtra, 99+%</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:26px;width:179px;">NaBH4</td>
			<td style="width:163px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:99px;">200050250</td>
			<td style="width:128px;">99%</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">NaCl</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">S7653-500</td>
			<td style="width:128px;">BioXtra, 99.5+%</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">NaOH</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">S8045-500</td>
			<td style="width:128px;">BioXtra, 98+%</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">Parafilm</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">P7668-1EA</td>
			<td style="width:128px;">PARAFILM M</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">PBS buffer (10X)</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;">BP3991</td>
			<td style="width:128px;">Molecular Biology</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">ProFlex PCR System</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;">4484073</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Sodium dodecyl sulfate (SDS)</td>
			<td style="width:163px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:99px;">74255-250</td>
			<td style="width:128px;">99+%</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Staple strands</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">Sybr Safe</td>
			<td style="width:163px;">Invitrogen&#160;</td>
			<td style="width:99px;">S33102</td>
			<td style="width:128px;">For DNA stain</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">TBE buffer (10X)</td>
			<td style="width:163px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:99px;">15581-044</td>
			<td style="width:128px;">Molecular Biology</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">TE buffer (10X)</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;">BP24771</td>
			<td style="width:128px;">Molecular Biology</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">TEM</td>
			<td style="width:163px;">FEI</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;">FEI Tecnai F12</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Thiol-functionalized&#160; ssDNA&#160;</td>
			<td style="width:163px;">Biomers.net</td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:179px;">Tris(2-carboxyethyl)phosphine hydrochloride (TCEP-HCl)</td>
			<td style="width:163px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:99px;">PI20491</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">UltraPure Agarose</td>
			<td style="width:163px;">Invitrogen&#160;</td>
			<td style="width:99px;">16500-100</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">Ultrapure water (Type 1)</td>
			<td style="width:163px;"></td>
			<td style="width:99px;"></td>
			<td style="width:128px;">Milli-Q Direct 8 system</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:179px;">Uranyl Formate</td>
			<td style="width:163px;">Tebu-bio</td>
			<td style="width:99px;">24762-1</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:179px;">White light transilluminator</td>
			<td style="width:163px;">UVP</td>
			<td style="width:99px;">TW-26</td>
			<td style="width:128px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assembly of gold nanorods into chiral plasmonic metamolecules using dna origami templates

Den inneboende adressering av DNA origami strukturer gör dem idealiska mallar för arrangemanget av metall nanopartiklar i komplexa plasmoniska nanostrukturer. Den höga rumsliga precisionen en origami-mallade DNA-församling tillåter kontroll av kopplingen mellan plasmoniska resonanser av enskilda partiklar och skräddarsy optiska egenskaper av den konstruerade nanostrukturer. Nyligen, kirala plasmoniska system väckte stor uppmärksamhet på grund av det starka sambandet mellan den rumsliga konfigurationen av plasmoniska sammansättningar och deras optiska svar (t.ex. cirkulärdichroism [CD]). I detta protokoll beskriver vi hela arbetsflödet för generering av DNA origami-baserade kirala sammansättningar av guld nanorör (AuNRs). Protokollet innehåller en detaljerad beskrivning av designprinciperna och de experimentella rutiner för tillverkning av DNA origami mallar, syntesen av AuNRs och montering av origami-AuNR strukturer. Dessutom ingår karakterisering av strukturer som använder transmissionselektronmikroskopi (TEM) och CD-spektroskopi. Protokollet beskrivs är inte begränsat till kirala konfigurationer och kan anpassas för byggandet av olika plasmoniska arkitekturer.

TEM bilder av DNA origami mallar, AuNRs och slutliga origami-AuNR sammansättningar visas i figur 4och figur 5 figur 6A, respektive. På grund av deras bindande önskemål TEM rutnät, är origami-AuNR församlingar brukar ses som parallella origami buntar och stavar(figur 6). Termisk glödgning krävs för korrekt uppriktning av AuNRs på origami mallar (figur 6A, B). Protokollet gör det möjligt för hög avkastning av AuNRs församling i kirala metamolecules med stark plasmoniska CD svaren (figur 7).
<table fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Temperatur (° C)</td>
			<td>Tid</td>
		</tr>
<tr>
<td>80</td>
			<td>15 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>79 - 71</td>
			<td>1 ° C i 1 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>70 - 66</td>
			<td>1 ° C/5 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>65 - 60</td>
			<td>1 ° C/30 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>59 - 37</td>
			<td>1 ° C/60 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>36 - 30</td>
			<td>1 ° C i 15 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>29 - 20</td>
			<td>1 ° C/5 min</td>
		</tr>
<tr>
<td>20</td>
			<td>Håll</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 1: Temperaturer och priser för termisk glödgning av DNA origami mallar.
<table fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Temperatur (° C)</td>
			<td>Tid (min)</td>
		</tr>
<tr>
<td>40</td>
			<td>130</td>
		</tr>
<tr>
<td>36</td>
			<td>180</td>
		</tr>
<tr>
<td>32</td>
			<td>180</td>
		</tr>
<tr>
<td>22</td>
			<td>Håll</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 2: temperaturer och hålla tider för glödgning av mallar för AuNRs och DNA-origami. Den kyla mellan stegen är inställd på 0,1 ° C/min. De origami-AuNR DNA-proverna är glödgas under omskakning vid 400 rpm.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig1.jpg"> Figur 1 : Design av DNA origami-mallade kirala metamolecules. (A) identifiera den önska relativa rumsliga ordningen av guld nanorör (AuNRs) och en lämplig form av mallen för DNA-origami. (B) beräkna strukturella parametrar för AuNRs (DAuNR, LAuNR) och mallen origami (Worigami, Lorigami, Θ). Leta upp de ungefärliga positionerna av de häftklamrar som behöver ytterligare modifiering. (C) Design av DNA origami mallar med hjälp av caDNAno. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig2.jpg"> Figur 2 : Agaros gel-elektrofores av origami. (A) rening med 1% agaros gelelektrofores för 2 h vid 80 V. (B) karakterisering med 2% agaros gel-elektrofores för 4 h på 80 V. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig2large.jpg" target="_blank">vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig3.jpg"> Figur 3 : Agaros gelelektrofores rening av origami-AuNRs. Gel (0,7%) kördes för 3,5 h vid 80 V för proverna förberedd efter montering förfarandet med olika DNA-AuNR-till-origami nyckeltal (20:1, 5:1) och prover (10:1 DNA-AuNRs-till-origami ratio) med och utan glödgning förfarande. För TEM bilder av proverna i band 1 se 2 och 3, figur 6. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig3large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig4.jpg"> Figur 4 : Representant TEM bild av DNA origami mallar. Den origami strukturen består av två 14-helix buntar (80 nm x 16 nm x 8 nm) kopplas samman vid byggnadsställning stranda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig5.jpg"> Figur 5 : Representant TEM bild av AuNRs. Syntetiskt AuNRs genomsnittliga mått är 70 x 30 nm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig6.jpg"> Figur 6 : TEM bilder av origami-AuNR församlingar. (A) AuNR dimerer på origami efter glödgning (band 1 i figur 3). (B) AuNR dimerer på origami utan glödgning (band 2 i figur 3). (C) Origami-AuNR aggregat (band 3 i figur 3). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59280/59280fig7.jpg"> Figur 7 : CD spektra av origami-AuNR sammansättningarna. CD spektra av de slutna strukturerna (origami mallarna fast av låsa trådar i en högerhänt konfiguration, med 50° mellan två origami buntar) och den öppna strukturen (de origami mallarna utan låsa trådar). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59280/59280fig7large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates at JoVE.com

Assembly of Gold Nanorods into Chiral Plasmonic Metamolecules Using DNA Origami Templates

Vi beskriver det detaljerade protokollet för DNA origami-baserade sammansättning av guld nanorör till kirala plasmoniska metamolecules med starka chiroptical svar. Protokollet är inte begränsat till kirala konfigurationer och kan enkelt anpassas för tillverkning av olika plasmoniska arkitekturer.

Montering av guld nanorör till kirala plasmoniska Metamolecules använda DNA-Origami mallar

The inherent addressability of DNA origami structures makes them ideal templates for the arrangement of metal nanoparticles into complex plasmonic ...

Denna metod möjliggör tillverkning av tredimensionella kirala plasmoniska församlingar med starka kiroptiska svar. Den största fördelen med detta tillvägagångssätt är att det möjliggör tillverkning av komplexa metall nanostrukturer med hjälp av fritt tillgängliga mjukvaruverktyg och gemensam biokemi lab utrustning. Demonstrera förfarandet kommer att Yike Huang en doktorand och Minh-Kha Nguyen en postdoc från mitt laboratorium.Använd caDNAno för att utforma en DNA origami-mall. Dra ställningen i häftsträngar enligt önskad form av mallen. Generera sedan sekvenserna för klammersträngen genom att klicka på sekvensverktyget.Klicka på Paint Tool och markera de klammersträngar som kräver ytterligare ändring. Klicka på exportverktyget om du vill exportera sekvenserna för DNA-krampa till en CSV-fil. Importera sedan CSV-filen till ett kalkylprogram.Lägg till en polyadeninsekvens i slutet av häftklamrar som ska användas som handtag för guld nanorod montering. Modifiera klammersträngarna på de designade låsplatserna med låssekvenser. Förbered ett fungerande lager av stapelsträngar inklusive strängar med handtag och lås genom att blanda lika stora mängder koncentration normaliserade häftklammer oligonukleotider.Förbered sedan origamiblandningen som detaljerad i textprotokollet. Glödg blandningen i termocyklaren från 80 grader till 20 grader Celsius. För en 1%gel, lös ett gram agaros i 100 milliliter TBE genom att värma blandningen i mikrovågsugnen.Tillsätt 10 mikroliter av 10, 000X DNA-fläck enligt fläckspecifikationen. För att minimera exponeringen för UV-ljus vid extraktionssteget använd en DNA-fläck som kan visualiseras under blå excitation. Gjut gelén och inkubera i 30 minuter i rumstemperatur.Placera sedan gelboxen i ett isvattenbad. Lägg till lastningsbuffert till origami-proverna och ladda proverna i brunnarna med en ordentlig volym enligt den kon som används. Kör elektroforesen i två timmar vid 80 volt.Avbilda gelen med gelbildaren. Använd en blå ljus transilluminator för att visualisera banden och klippa origami bandet. Krossa sedan gelen på parafilm och extrahera vätskan.Återhämtningsutbytet är ungefär 40%Pipette vätskan till en centrifugalfilterenhet och snurra vid 3, 000 gånger G i fem minuter. Mät absorptionen av origamilösningen vid 260 nanometer med en UV-synlig spektrometer. För att förbereda guld nanorods, lösa 0,55 gram CTAB och 0,037 gram 2, 6-Dihydroxybenzoic syra i 15 milliliter varmt vatten i en rund bottenkolv.Efter att ha svalnat ner lösningen till 30 grader Celsius, tillsätt 600 mikroliter av fyra millimolar silvernitrat och rör om vid 450 RPM i två minuter. Lämna lösningen ostörd i 15 minuter vid 30 grader Celsius. Tillsätt därefter 15 milliliter av en millimolar vätetetrakloroaurat till lösningen och rör om vid 450 RPM i 15 minuter.Lägg också till 120 mikroliter av 64 millimolar L-askorbinsyra och rör omedelbart vid 1, 200 RPM i 30 sekunder. Nu, tillsätt 12 mikroliter av guldfrön och håller omrörning vid 1, 200 RPM i 30 sekunder. Inkubera lösningen i ett vattenbad vid 30 grader Celsius i 18 timmar.Stör inte lösningen och använd en kapsyl för att stänga kolven. Överför den resulterade lösningen till centrifugrör och centrifug vid 9, 500 gånger G i 12 minuter vid 20 grader Celsius. Kassera supernatanten och sprid pelleten i 20 milliliter ultrarent vatten.Utför ytterligare ett centrifugionssteg och skingra sedan den slutliga pelleten i tre milliliter av destillerat vatten. Uppskatta koncentrationen av guldnanoroder från en UV-synlig absorptionsmätning med hjälp av extinktionskoefficienten för längdplasmonresonansen. Blanda 150 mikroliter av 10 nanomolar guld nanorods och 40 mikroliter av 0,5 millimolar TCEP behandlade tiols-DNA.Tillsätt 1%SDS till guld nanorod lösningen tills en slutlig SDS koncentration på 0,05%uppnås. Justera PH:en till mellan 2,5 och tre med ungefär en mikroliter av en molar HCL. Inkubera i två timmar medan du skakar vid 70 RPM.Tillsätt natriumklorid för att nå en slutlig natriumkloridkoncentration på 0,5 molar och inkubera i fyra timmar i rumstemperatur medan du skakar vid 70 RPM. Justera sedan PH till ungefär 8,5 med 10X TBE-buffert och inkubera över natten. Tvätta DNA-guld nanoroderna fyra gånger genom att blanda proverna med en milliliter tvättbuffert och centrifug vid 7 000 gånger G i 30 minuter.Ta bort supernatanten och resuspend DNA-guld nanorods i den återstående vätskan. Uppskatta koncentrationen av DNA-guld nanorods från en UV synlig absorptionsmätning som tidigare. Tillsätt magnesiumklorid till lösningen av renad DNA guld nanorods till en slutlig koncentration av 10 millimolar.Blanda den renade DNA guld nanorods och origami till en 10 till ett förhållande och ge blandningen i en mixer med en temperaturkontroll från 40 grader Celsius till 20 grader Celsius medan skakar på 400 RPM. Använd 0.7%agarrose gel elektrofores för att rena den slutliga origami guld nanorod strukturer. För TEM-avbildning, blanda 200 mikroliter av 0,75%uranyl formate lösning och 1 mikroliter av fem molar natriumhydroxid.Vortex omedelbart i två till tre minuter. Centrifugera fläcklösningen i tre till fyra minuter vid 14, 000 gånger G.Then, skydda fläcken från ljusexponering genom att linda den i aluminiumfolie. Efter att ha ökat hydrofaliciteten för TEM-gallren enligt beskrivningen i textprotokollet, droppar pipetter fem microliter prov på TEM-rutnätet.Efter en inkubation på fem till åtta minuter tar du bort droppen genom att försiktigt röra vid ett filterpapper med kanten på gallret. Nu pipettera en stor droppe och en liten droppe av fläcken lösning på en bit parafilm. Sätt gallret på den lilla fläcklösningen droppe och torka omedelbart genom att röra filterpapper med kanten av gallret.Sedan, lägga den på den stora fläcken lösning droppe i 30 sekunder. Visas här är en TEM bild av DNA origami mallar. Origami strukturen består av två 14 helix buntar sammanlänkade av byggnadsställningen strand.Här visas en representativ TEM-bild av guldnanoroder. De genomsnittliga dimensionerna av syntetiserade guld nanorods är 70 av 30 nanometer. Denna bild visar guld nanorod dimers på origami efter glödgning.På grund av deras bindande preferens till TEM galler, origami guld nanorod församlingar ses vanligtvis som parallella origami buntar och stavar. Protokollet möjliggör hög avkastning av monteringen av guld nanorods i kirala metamolekyler med starka plasmonic cirkulära dikroism svar. Visas här är spektra av de slutna strukturer och de öppna strukturer.Efter dess utveckling banade denna teknik vägen för forskare att utforska plasmoniska optiska egenskaper hos komplexa självmonterade metallnanopstrukturer. Som beskrivs i textprotokollet används flera farliga kemikalier i denna metod. Vänligen kontrollera noga materialsäkerhetsdatabladet och vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Organic Chemistry

Chemistry

Unit 1

Stereoisomerism

SCIENTISTS IN ACTION

Origami Inspired Self-assembly of Patterned and Reconfigurable Particles

Origami inspirerade självorganisering av Mönstrade och omkonfigurerbara partiklar

There are numerous techniques such as photolithography, electron-beam lithography and soft-lithography that can be used to precisely pattern two ...

Template Directed Synthesis of Plasmonic Gold Nanotubes with Tunable IR Absorbance

Mall Riktad Syntes av plasmoniska Gold Nanorör med Avstämbara IR Absorbans

A nearly parallel array of pores can be produced by anodizing aluminum foils in acidic environments1, 2. Applications of anodic aluminum oxide (AAO) ...

Folding and Characterization of a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Vikning och karakterisering av en Bio-lyhörd robot från DNA Origami

The DNA nanorobot is a hollow hexagonal nanometric device, designed to open in response to specific stimuli and present cargo sequestered inside. Both ...

Preparation of Mica and Silicon Substrates for DNA Origami Analysis and Experimentation

Framställning av Mica och kiselsubstrat för DNA Origami analys och Experiment

The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of ...

Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods

Hydrokinon baserad syntes av guld nanostavar

Gold nanorods are an important kind of nanoparticles characterized by peculiar plasmonic properties. Despite their widespread use in nanotechnology, the ...

Gene-therapy Inspired Polycation Coating for Protection of DNA Origami Nanostructures

Genterapi inspirerade Polycation beläggning för skydd av DNA Origami nanostrukturer

DNA origami nanostructures hold an immense potential to be used for biological and medical applications. However, low-salt conditions and nucleases in ...

DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications

DNA origami-medierad substrat Nanopatterning av oorganiska strukturer för avkänning av applikationer

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA ...

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks MOFs

Utveckling av heterogena Enantioselektiva katalysatorer som använder kirala metallorganiska ramverk (MOFs)

Substrate size discrimination by the pore size and homogeneity of the chiral environment at the reaction sites are important issues in the validation of ...

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril

Kvantitativ SERS-detektion av urinsyra via bildning av exakta plasmoniska nanojunktioner inom aggregat av guldnanopartiklar och cucurbit[n]uril

This work describes a rapid and highly sensitive method for the quantitative detection of an important biomarker, uric acid (UA), via surface-enhanced ...

Single-Molecule SERS Measurements Enabled by Plasmonic DNA Origami Nanoantennas

Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements Enabled by Plasmonic DNA Origami Nanoantennas

Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements Enabled by Plasmonic DNA Origami Nanoantennas (Video) | JoVE 

Enmolekylära ytförstärkta Raman-spridningsmätningar möjliggjorda av plasmoniska DNA-origami nanoantenner

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has the capability to detect single molecules for which high field enhancement is required. Single-molecule (SM) ...