Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Isotermisk selvsamling af multikomponent og evolutionære DNA-nanostrukturer

Isotermisk selvsamling af brugerdefinerede DNA-origamier i en magnesiumfri NaCl-buffer. (a), En origamiblanding (M13 stillads plus et 40× overskud af ønskede hæfteklammer) kan spontant samle sig selv ved konstant temperatur til målligevægtsformen (for eksempel en trekant) i TANa-buffer. (b), AFM-observation af den isotermiske origamidannelse ved 25°C i TANa ([NaCl] = 100 mM), for et sæt hæfteklammer, der koder for skarpe trekanter, som funktion af inkubationstid. (c), Fraktion (boblestørrelse) af delvist foldet (gul) og fuldt foldet (rød) origamis efter 24 timers isotermisk selvsamling med et sæt hæfteklammer, der koder for skarpe trekanter, for forskellige inkubationstemperaturer (T) og NaCl-koncentrationer . Et krydssymbol angiver en brøkdel af 0. Af hensyn til læsbarheden er den resterende brøkdel, som svarer til ikke- eller fejlfoldede origamier, ikke afbildet i denne graf. Alle billeder, der bruges til disse analyser, er tilgængelige i et citerbart offentligt depot (doi:10.5281/zenodo.7998757) og kan tilgås direkte på følgende link:https://zenodo.org/record/7998757. d, Repræsentative nærbilleder af AFM af origamier opnået ved isotermisk samling i TANa ([NaCl] = 100 mM) ved 25°C for hæfteklammer, der koder for skarpe trekanter (venstre), høje rektangler (midt) og smileys (højre). For alle eksperimenter:[M13] = 1 nM; hver stapelkoncentration er 40 nM; ingen hæfteoprensning blev udført før AFM-billeddannelse. Kredit:Nature Nanotechnology (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2

Flere komplementære DNA-strenge kan termisk anneales til ønskede enheder for at konstruere DNA-nanostrukturer. I en ny undersøgelse, der nu er offentliggjort i Nature Nanotechnology , Caroline Rossi-Gendron og et team af forskere inden for kemi, materialevidenskab og biologi i Frankrig og Japan brugte en magnesiumfri buffer indeholdende natriumchlorid, komplekse cocktails af DNA-strenge og proteiner til selv at samle isotermisk ved stuetemperatur eller fysiologisk temperatur i brugerdefinerede nanostrukturer, herunder nanogrids, DNA-origami og enkeltstrengede fliser.



Denne selvsamling var afhængig af termodynamik og fortsatte gennem flere foldeveje for at skabe meget konfigurerbare nanostrukturer. Metoden tillod selvvalg af den mest stabile form i en stor pulje af konkurrerende DNA-strenge. Interessant nok kan DNA-origami skifte isotermisk fra en oprindeligt stabil form til en radikalt anderledes gennem en udveksling af konstitutive hæftestrenge. Dette udvidede samlingen af ​​former og funktioner opnået via isotermisk selvsamling for at skabe grundlaget for adaptive nanomaskiner og lette evolutionær opdagelse af nanostruktur.

Selvsamling i naturen og laboratoriet

Selvsamling opstår, når naturligt forekommende eller rationelt designede enheder kan indlejre nødvendig information til spontant at interagere og selvorganisere sig i funktionelle overbygninger af interesse. Typisk er syntetiske selvsamlede materialer et resultat af organiseringen af ​​en gentagen enkelt komponent for at skabe en stabil supramolekylær samling indeholdende miceller eller kolloide krystaller med et foreskrevet sæt nyttige egenskaber. Sådanne konstruktioner har begrænset rekonfigurerbarhed, hvilket gør det meget udfordrende at producere de ønskede strukturer.

Strukturel DNA-nanoteknologi udforsker det sekvensafhængige baseparringsprincip mellem syntetiske DNA-enkeltstrenge for at overvinde denne udfordring og samle forskellige og komplicerede overbygninger af en tilsigtet form, størrelse og funktionel specificitet i stor skala med en række anvendelser. Multikomponentstrukturer er typisk afledt af en termisk annealingsproces, hvor DNA-blandingen først opvarmes til over sin smeltetemperatur og køles langsomt ned for at undgå kinetiske fælder og sikre sekvensspecifik DNA-hybridisering.

Strukturel DNA-nanoteknologi

Termisk udglødning kan hindre muligheden for spontan nanostrukturdannelse under faste forhold. I dette arbejde beskrev Rossi-Gendron og kolleger derfor, at den vigtigste metode til strukturel DNA-nanoteknologi afhænger af det samme princip om generisk isotermisk DNA-selvsamling for at skabe brugerdefinerede detaljerede DNA-nanostrukturer såsom DNA-origami og DNA-nanogrids. Forskerholdet undersøgte den strukturelle kompleksitet af DNA-origami-design og selv-gentagende nanogrids ved hjælp af atomkraftmikroskopi for at afsløre mangfoldigheden af ​​foldebaner i selvsamlende 2D-origami-former.

Isotermisk selvsamling af komplicerede 3D-strukturer ved stue- eller kropstemperatur fører til velformede 3D-origamier med lavt udbytte. a–d, Negativ-farvning TEM-billeder af strukturerne opnået ved termisk udglødning (a) eller isotermisk samling (b–d) og efter fjernelse af overskydende hæfteklammer ved gelelektroforese. a, T1 trekantede strukturer (skema i indsat) opnået ved 41 h termisk annealing i en optimeret Mg-buffer (5 mM Tris-HCl, pH 8,0, 1 mM EDTA, 18 mM MgCl2 ). b–d, strukturer opnået ved isotermisk selvsamling (ingen termisk forbehandling) i TANa-buffer:T1 trekantede strukturer (skema i indsat) angivet med gule pile og opnået med [NaCl] = 100 mM ved 25°C i 48 h (b) ); T1 trekantede strukturer opnået med [NaCl] = 200 mM ved 25°C (venstre) og med [NaCl] = 100 mM ved 37°C (højre) i 72 h (c); Tb "Toblerone"-lignende strukturer (venstre, skema) opnået med [NaCl] = 100 mM ved 25°C i 48 h (midten) og med [NaCl] = 200 mM ved 25°C i 48 h (d). Skala barer, 100 nm. Kredit:Nature Nanotechnology (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2

DNA-origami via selvsamling i natriumchlorid

Holdet gennemførte en række eksperimenter i et termodynamisk reguleret isotermisk selvsamlingsmiljø for at fuldføre formtransformation. De opnåede dette ved at samle en DNA-origamiblanding uden termisk forbehandling og inkuberede konstruktionerne i flere timer i en konventionel buffer. Som tidligere observeret, uanset inkubationstiden, viste resultaterne ikke dannelsen af ​​korrekt formede objekter.

Holdet valgte en alternativ buffer suppleret med monovalente salte for at fremme hæfteudveksling og rekonfiguration for at bemærke den bemærkelsesværdige dannelse af korrekt foldede skarpe trekanter ved stuetemperatur inden for et par timer. Disse resultater var konsistente på tværs af mellemliggende saltkoncentrationer. Forskerne viste, hvordan isotermisk selvsamling i buffer kunne drives elektrostatisk til at generere en række tilpassede nanostrukturer under et bredt temperaturvindue.

De udforskede konceptet for den isotermiske selvsamling af 3D-origami for at fremhæve muligheden for spontan selvsamling ved stue- eller kropstemperatur uden termisk forbehandling for at skabe en række forskellige morfologier for at eksemplificere alsidigheden ved selvsamling. Ikke desto mindre fremhævede det meget lave udbytte af konstruktionerne dens nuværende begrænsning, som kan overvindes ved at optimere nanostrukturdesignet.

Mangfoldighed af foldebaner og formskift

Rossi-Gendron og kolleger studerede yderligere mekanismerne for isotermisk selvsamling ved at udtænke en metode til at følge foldevejen for 2D DNA-origami i realtid. Arbejdet viste, at opnåelse af ligevægtsstrukturen for en individuel origami ikke var afhængig af én specifik foldevej, i stedet for at stole på flere stier, indtil den nåede målligevægtsformen.

Delvist foldede strukturer viste forskellige indledende foldningstilstande for at antyde, at flere foldningsbaner ikke var afhængige af overfladeassisteret selvmontering. Resultaterne konkluderer, at isotermisk origamidannelse er en termodynamisk reguleret proces, hvorved strukturerne nåede en ligevægtstilstand via selvsamling. Efter at have udsat origami-formerne for et sæt konkurrerende hæfteklammer, bemærkede holdet, hvordan selvsamlingen førte til spontan udvikling fra origami-form til en dramatisk anderledes stabil konstruktion for at skabe et termodynamisk favoriseret formskiftende resultat.

Outlook

På denne måde brugte Rossi-Gendron og kolleger en generisk saltvandsbuffer og en meget multikomponent blanding af DNA-strenge til spontant at samle sig selv ved konstant temperatur på tværs af en række temperaturer for at danne korrekt formede objekter som origamis eller DNA-nanogrids. De opnåede disse resultater ved stuetemperatur for trinvis termodynamisk drevet selvsamling. Resultaterne indikerede muligheden for dynamiske funktioner i omgivende miljøer og levende systemer med faste temperaturer til nanostrukturopdagelse ved hjælp af store biblioteker af DNA-komponenter.

Flere oplysninger: Caroline Rossi-Gendron et al., Isotermisk selvsamling af multikomponent- og evolutionære DNA-nanostrukturer, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01468-2

Paul W. K. Rothemund, Folding DNA for at skabe nanoskala former og mønstre, Nature (2006). DOI:10.1038/nature04586

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi , Natur

© 2023 Science X Network




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com