Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Isotherme zelfassemblage van uit meerdere componenten bestaande en evolutieve DNA-nanostructuren

Isothermische zelfassemblage van door de gebruiker gedefinieerde DNA-origami's in een magnesiumvrije NaCl-buffer. (a) Een origamimix (M13-steiger plus een overmaat van 40 x aan gewenste nietjes) kan zich spontaan bij constante temperatuur assembleren tot de beoogde evenwichtsvorm (bijvoorbeeld een driehoek) in TANa-buffer. (b), AFM-observatie van de isotherme origami-formatie bij 25 ° C in TANa ([NaCl]  = 100  mM), voor een reeks nietjes die coderen voor scherpe driehoeken, als functie van de incubatietijd. (c), Fractie (bellengrootte) van gedeeltelijk gevouwen (geel) en volledig gevouwen (rood) origami's na 24 uur isotherme zelfassemblage met een set nietjes die coderen voor scherpe driehoeken, voor verschillende incubatietemperaturen (T) en NaCl-concentraties . Een kruissymbool geeft een fractie van 0 aan. Omwille van de leesbaarheid is de resterende fractie, die overeenkomt met niet- of verkeerd gevouwen origami's, niet in deze grafiek weergegeven. Alle afbeeldingen die voor deze analyses worden gebruikt, zijn beschikbaar in een citeerbare openbare repository (doi:10.5281/zenodo.7998757) en zijn rechtstreeks toegankelijk via de volgende link:https://zenodo.org/record/7998757. d, Representatieve close-up AFM-afbeeldingen van origami's verkregen door isothermische assemblage in TANa ([NaCl]  = 100  mM) bij 25 ° C voor nietjes die coderen voor scherpe driehoeken (links), hoge rechthoeken (midden) en smileys (rechts). Voor alle experimenten:[M13] = 1 nM; elke stapelconcentratie is 40 nM; er werd geen stapelzuivering uitgevoerd vóór AFM-beeldvorming. Credit:Natuurnanotechnologie (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2

Meerdere complementaire DNA-strengen kunnen thermisch worden samengevoegd tot gewenste entiteiten om DNA-nanostructuren te manipuleren. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd in Nature Nanotechnology Caroline Rossi-Gendron en een team van onderzoekers in de scheikunde, materiaalkunde en biologie in Frankrijk en Japan gebruikten een magnesiumvrije buffer die natriumchloride, complexe cocktails van DNA-strengen en eiwitten bevat, om zichzelf isotherm te assembleren bij kamertemperatuur of fysiologische temperatuur tot door de gebruiker gedefinieerde nanostructuren, waaronder nanogrids, DNA-origami en enkelstrengige tegelassemblages.



Deze zelfassemblage was gebaseerd op de thermodynamica en verliep via meerdere vouwpaden om zeer configureerbare nanostructuren te creëren. De methode maakte de zelfselectie van de meest stabiele vorm in een grote verzameling concurrerende DNA-strengen mogelijk. Interessant is dat DNA-origami isotherm kan veranderen van een aanvankelijk stabiele vorm naar een radicaal andere vorm door een uitwisseling van constitutieve stapelstrengen. Hierdoor werd de verzameling vormen en functies verkregen via isothermische zelfassemblage uitgebreid om de basis te leggen voor adaptieve nanomachines en de ontdekking van evolutionaire nanostructuren te vergemakkelijken.

Zelfassemblage in de natuur en het laboratorium

Zelfassemblage vindt plaats wanneer natuurlijk voorkomende of rationeel ontworpen entiteiten de noodzakelijke informatie kunnen inbedden om spontaan te interageren en zichzelf te organiseren in functionele bovenstructuren van belang. Meestal zijn synthetische zelf-assemblerende materialen het resultaat van de organisatie van een zich herhalende enkele component om een ​​stabiel supramoleculair samenstel te creëren dat micellen of colloïdale kristallen bevat met een voorgeschreven reeks nuttige eigenschappen. Dergelijke constructies zijn slechts beperkt herconfigureerbaar, waardoor het zeer uitdagend is om de gewenste structuren te produceren.

Structurele DNA-nanotechnologie onderzoekt het sequentie-afhankelijke basenpaarprincipe tussen synthetische DNA-enkele strengen om deze uitdaging te overwinnen en op grote schaal diverse en uitgebreide superstructuren met een beoogde vorm, grootte en functionele specificiteit samen te stellen met een reeks toepassingen. Structuren met meerdere componenten zijn doorgaans afgeleid van een thermisch gloeiproces, waarbij het DNA-mengsel eerst boven de smelttemperatuur wordt verwarmd en langzaam wordt afgekoeld om kinetische vallen te voorkomen en sequentiespecifieke DNA-hybridisatie te garanderen.

Structurele DNA-nanotechnologie

Thermisch uitgloeien kan de mogelijkheid van spontane vorming van nanostructuren onder vaste omstandigheden belemmeren. In dit werk beschreven Rossi-Gendron en collega's daarom dat de belangrijkste methode van structurele DNA-nanotechnologie afhangt van hetzelfde principe van generieke isotherme DNA-zelfassemblage om door de gebruiker gedefinieerde uitgebreide DNA-nanostructuren te creëren, zoals DNA-origami en DNA-nanogrids. Het onderzoeksteam bestudeerde de structurele complexiteit van DNA-origami-ontwerpen en zichzelf herhalende nanogrids met behulp van atoomkrachtmicroscopie om de veelheid aan vouwpaden in zelfassemblerende 2D-origamivormen bloot te leggen.

Isotherme zelfassemblage van uitgebreide 3D-structuren bij kamer- of lichaamstemperatuur leidt tot goed gevormde 3D-origami's met een lage opbrengst. a – d, TEM-afbeeldingen met negatieve vlekken van de structuren verkregen door thermisch uitgloeien (a) of isothermische assemblage (b – d) en na verwijdering van overtollige nietjes door gelelektroforese. a, driehoekige T1-structuren (schema in inzet) verkregen door 41 uur thermisch uitgloeien in een geoptimaliseerde Mg-buffer (5 mM Tris-HCl, pH 8,0, 1 mM EDTA, 18 mM MgCl2 ). b – d, Structuren verkregen door isotherme zelfassemblage (geen thermische voorbehandeling) in TANa-buffer:driehoekige T1-structuren (schema in inzet) aangegeven door gele pijlen en verkregen met [NaCl]  = 100 mM bij 25 °C gedurende 48  uur (b ); Driehoekige T1-structuren verkregen met [NaCl] = 200 mM bij 25°C (links) en met [NaCl] = 100 mM bij 37°C (rechts) gedurende 72 u (c); Tb "Toblerone"-achtige structuren (links, schema) verkregen met [NaCl] = 100 mM bij 25°C gedurende 48 h (midden) en met [NaCl] = 200 mM bij 25°C gedurende 48 h (d). Schaalbalken, 100 nm. Credit:Natuurnanotechnologie (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-023-01468-2

DNA-origami via zelfassemblage in natriumchloride

Het team voltooide een reeks experimenten in een thermodynamisch gereguleerde isothermische zelfassemblageomgeving om de vormtransformatie te voltooien. Ze bereikten dit door een DNA-origami-mengsel samen te stellen zonder thermische voorbehandeling en de constructen enkele uren in een conventionele buffer te incuberen. Zoals eerder waargenomen, lieten de resultaten, ongeacht de incubatietijd, niet de vorming van correct gevormde objecten zien.

Het team koos voor een alternatieve buffer aangevuld met monovalente zouten om de uitwisseling en herconfiguratie van stapels te bevorderen en zo de opmerkelijke vorming van goed gevouwen scherpe driehoeken bij kamertemperatuur binnen een paar uur op te merken. Deze resultaten waren consistent bij de gemiddelde zoutconcentraties. De onderzoekers lieten zien hoe isotherme zelfassemblage in buffer elektrostatisch kan worden aangestuurd om een ​​verscheidenheid aan aangepaste nanostructuren te genereren onder een breed temperatuurvenster.

Ze onderzochten het concept voor de isotherme zelfassemblage van 3D-origami om de mogelijkheid van spontane zelfassemblage bij kamer- of lichaamstemperatuur zonder thermische voorbehandeling te benadrukken om een ​​verscheidenheid aan morfologieën te creëren die de veelzijdigheid van zelfassemblage illustreren. Niettemin benadrukte de zeer lage opbrengst van de constructen de huidige beperking die kan worden overwonnen door het optimaliseren van het nanostructuurontwerp.

Veelvoud aan vouwpaden en vormveranderingen

Rossi-Gendron en collega's bestudeerden de mechanismen van isothermische zelfassemblage verder door een methode te bedenken om de vouwroute van 2D DNA-origami in realtime te volgen. Uit het werk bleek dat het bereiken van de evenwichtsstructuur voor een individuele origami niet afhankelijk was van één specifiek vouwpad, maar van meerdere paden, totdat de beoogde evenwichtsvorm werd bereikt.

Gedeeltelijk gevouwen structuren vertoonden verschillende initiële vouwtoestanden, wat impliceert dat meerdere vouwpaden niet afhankelijk waren van zelfassemblage met behulp van het oppervlak. De resultaten concluderen dat isotherme origamivorming een thermodynamisch gereguleerd proces is waarbij de structuren via zelfassemblage een evenwichtstoestand bereikten. Toen het team de origamivormen blootstelde aan een reeks competitieve elementen, merkte het team op hoe de zelfassemblage leidde tot een spontane evolutie van de origamivorm naar een dramatisch andere stabiele constructie om een ​​thermodynamisch gunstig resultaat van vormverandering te creëren.

Vooruitzichten

Op deze manier gebruikten Rossi-Gendron en collega's een generieke zoutbuffer en een zeer uit meerdere componenten bestaand mengsel van DNA-strengen om bij constante temperatuur over een reeks temperaturen spontaan zichzelf te assembleren om goed gevormde objecten te vormen, zoals origami's of DNA-nanogrids. Ze bereikten deze resultaten bij kamertemperatuur voor stapsgewijze thermodynamisch aangedreven zelfassemblage. De resultaten wezen op de mogelijkheid voor dynamische functies in omgevingen en levende systemen met vaste temperaturen voor het ontdekken van nanostructuren met behulp van grote bibliotheken met DNA-componenten.

Meer informatie: Caroline Rossi-Gendron et al, Isothermische zelfassemblage van uit meerdere componenten bestaande en evolutieve DNA-nanostructuren, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01468-2

Paul W. K. Rothemund, DNA vouwen om vormen en patronen op nanoschaal te creëren, Natuur (2006). DOI:10.1038/natuur04586

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie , Natuur

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Door schadesporen in kaart te brengen, kunnen onderzoekers het water volgen in Photosystem II
  2. Zal het hernoemen van karperkopieën helpen om ze onder controle te krijgen?
  3. Rapport identificeert manieren om de commerciële vissersvloot van Alaska te verjongen
  4. Eksters kunnen vriendschappen sluiten met mensen - dit is hoe
  5. Factoren die betrokken zijn bij celdifferentiatie
  6. Vogelgriep:Nederlandse boeren moeten pluimvee binnen houden
  7. Wat fossielen onthullen over hybridisatie van vroege mensen
  8. Wat zijn de vier rollen die DNA in cellen moet spelen?
  9. Hoe dieren hun juiste grootte bereiken

Wetenschap