DOI: https://doi.org/10.1126/science.adl5549
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38753798
تاريخ النشر: 2024-05-16
المؤلف: Hao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون خط أنابيب شامل لتصميم الهياكل النانوية للحمض النووي التي تتجمع ذاتيًا في شبكة بايروكلاور، باستخدام نمذجة متعددة المقاييس وخوارزميات تحسين. هذا الخط مرن، وقادر على التمدد إلى ما هو أبعد من الهياكل بعيدة المدى إلى التجمعات ذات الحجم المحدود والمخاليط الأزيترية. يمكنه أيضًا تسهيل تصميم الهياكل الفرعية الأولية، مما يعزز العوائد وأحجام الشبكات المتكونة، ويمكن تكييفه لهندسات شبكية أخرى مثل الكلاترات.
تستند المنهجية إلى إطار تصميم مرن لا يعتمد على الأشكال المحددة للكتل البنائية. بدلاً من ذلك، تتضمن معلومات هندسية من خلال مصفوفة الاتصال، مما يسمح بتنوع واسع من الميزات الداخلية والأحجام في الكتل البنائية. يتم استخدام نموذج خشن على مستوى النوكليوتيد لضمان التوافق مع الأنظمة المصممة ذات التجميع الذاتي. تستفيد هذه الطريقة من الأدبيات الموجودة حول الهياكل النانوية للحمض النووي بينما تتيح التحكم الدقيق في معلمات الشبكة، بما في ذلك فجوة النطاق وخصائص أخرى. ومن الجدير بالذكر أن تعقيد وحدة الخلية لا يعيق عملية التصميم، حيث يستوعب الخط أنواعًا مختلفة من الكتل البنائية. كما يقدم المؤلفون أدوات التصميم والمحاكاة الخاصة بهم كبرمجيات مفتوحة المصدر مجانية، مما يعزز الوصول والبحث الإضافي في هذا المجال.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة في التجميع التجريبي وتوصيف شبكات الحمض النووي الأورغامي. خضعت كل تصميمات الحمض النووي الأورغامي لعملية تلدين حراري، تلتها عملية تنقية مصممة وفقًا للهيكل المحدد. بالنسبة للحمض النووي الأورغامي الأيكساهيدري، تم استخدام تنقية معدل المنطقة لعزل الهياكل أحادية الجزيء المطوية بشكل جيد، مما سهل التجميع الأمثل للشبكة من خلال تقليل التداخل من المنتجات متعددة الجزيئات. على العكس، بالنسبة للحمض النووي الأورغامي الثماني الوجوه، كانت الترشيح الفائق كافية لإزالة خيوط الدعامات الزائدة بسبب العائد الأعلى للشكل أحادي الجزيء المطلوب.
خلط المؤلفون الأنواع الأربعة من الأورغامي وخضعوا لدرجة حرارة متزايدة أثناء التلدين، مع مراقبة تغييرات الحجم عبر تشتت الضوء الديناميكي. حددوا نقاط درجات الحرارة الحرجة لارتباط الجزيئات (T1) وهضبة التجميع (T2)، مع ملاحظة نطاقات درجات حرارة مميزة للأنظمة الثمانية الوجوه (T1 = 54.5°C، T2 = 53°C) والأيكساهيدري (T1 = 43°C، T2 = 41°C). كانت عملية التجميع، التي تضمنت النواة والتبلور، تتطلب على الأقل أسبوعًا واحدًا، ويقترح المؤلفون أن تحسين بروتوكول التلدين قد يعزز الحجم وجودة الشبكات الفائقة الناتجة. تم إجراء التوصيف عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على عينات مغطاة بالسيليكا، مما كشف عن رؤى حول السلامة الهيكلية وظروف التجميع المثلى، بما في ذلك تركيز الأورغامي وقوة الأيونات، مع تسليط الضوء بشكل خاص على حاجة النظام الثماني الوجوه إلى قوة ربط أعلى أثناء التجميع.
نقاش
في هذا القسم، يناقش المؤلفون التقدم في التجميع الذاتي للهياكل النانوية والميكروسكوبية، مع التركيز بشكل خاص على التحديات المرتبطة بتمديد التجميع الذاتي من الهياكل ثنائية الأبعاد (2D) إلى الهياكل ثلاثية الأبعاد (3D). يحددون عدة عقبات يمكن أن تعيق التجميع الناجح للهياكل النانوية المرغوبة، بما في ذلك وجود حالات غير مستقرة، والفخاخ الحركية، ومعدلات التجميع المنخفضة، وعدم الفهم الكافي لسلوك الطور في المخاليط المعقدة. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون خط أنابيب تصميم جديد يستخدم الجسيمات المتناثرة – الكتل البنائية الغروانية ذات الكيمياء السطحية غير المتجانسة أو الشكل – لتسهيل التجميع الذاتي للهياكل المعقدة، مستهدفين بشكل خاص شبكة بايروكلاور، التي لم يتم تحقيقها بنجاح تجريبيًا من خلال التجميع الذاتي حتى الآن.
يستخدم المؤلفون مزيجًا من النمذجة النظرية، والمحاكاة، والتحقق التجريبي لإنشاء إطار عمل قوي لتصميم الهياكل النانوية للحمض النووي الأورغامي التي يمكن أن تتجمع ذاتيًا في شبكة بايروكلاور. يستخدمون طريقة تجميع SAT لصياغة مشكلة التصميم كمشكلة إرضاء بوليانية، مما يسمح بالاستكشاف الفعال لمصفوفات التفاعل التي تحدد كيفية ارتباط الجسيمات المتناثرة. من خلال المحاكاة التكرارية والتحسين، يحددون التكوينات التي تقلل من احتمال الفخاخ الحركية والهياكل المتنافسة. تم إثبات تحقيق شبكة بايروكلاور تجريبيًا باستخدام تصميمات الحمض النووي الأورغامي الأيكساهيدري والثماني الوجوه، وتم تأكيد ذلك بواسطة تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). لا تعرض هذه العمل فقط إمكانيات خط أنابيب التصميم الخاص بهم لإنشاء هياكل شبكية معقدة، ولكنها أيضًا تؤكد على قابليتها للتطبيق على مجموعة أوسع من الهياكل النانوية وعمليات التجميع.
DOI: https://doi.org/10.1126/science.adl5549
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38753798
Publication Date: 2024-05-16
Author(s): Hao Liu et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
In this section, the authors present a comprehensive pipeline for the design of DNA nanostructures that self-assemble into a pyrochlore lattice, utilizing multiscale modeling and optimization algorithms. This pipeline is versatile, capable of extending beyond long-range structures to finite-size assemblies and azeotropic mixtures. It can also facilitate the design of initial seeding substructures, enhancing the yields and sizes of nucleated lattices, and can be adapted for other lattice geometries such as clathrates.
The methodology is grounded in a flexible design framework that does not depend on the specific shapes of the building blocks. Instead, it incorporates geometric information through a contact matrix, allowing for a wide variety of internal features and sizes in the building blocks. The nucleotide-level coarse-grained model is employed to ensure compatibility with the designed self-assembled systems. This approach leverages existing literature on DNA nanostructures while enabling precise control over lattice parameters, including bandgap and other properties. Notably, the complexity of the unit cell does not hinder the design process, as the pipeline accommodates various building block species. The authors also provide their design and simulation tools as free open-source software, promoting accessibility and further research in the field.
Methods
In this section, the authors describe the methods used for the experimental assembly and characterization of DNA origami lattices. Each DNA origami design underwent thermal annealing, followed by a purification process tailored to the specific structure. For the icosahedral DNA origami, rate-zonal purification was employed to isolate well-folded monomeric structures, which facilitated optimal lattice assembly by minimizing interference from multimeric products. Conversely, for the octahedral DNA origami, ultrafiltration sufficed to remove excess staple strands due to the higher yield of the desired monomeric form.
The authors mixed the four origami species and subjected them to a temperature ramp during annealing, monitoring size changes via dynamic light scattering. They identified critical temperature points for monomer association (T1) and assembly plateau (T2), noting distinct temperature ranges for the octahedral (T1 = 54.5°C, T2 = 53°C) and icosahedral (T1 = 43°C, T2 = 41°C) systems. The assembly process, which involved nucleation and crystallization, required at least one week, and the authors suggest that optimizing the annealing protocol could enhance the size and quality of the resulting superlattices. Characterization via scanning electron microscopy (SEM) was performed on silica-coated samples, revealing insights into the structural integrity and optimal assembly conditions, including origami concentration and ionic strength, particularly highlighting the octahedral system’s need for higher binding strength during assembly.
Discussion
In this section, the authors discuss advancements in the self-assembly of nano- and microscopic structures, particularly focusing on the challenges associated with extending self-assembly from two-dimensional (2D) to three-dimensional (3D) structures. They identify several obstacles that can impede the successful assembly of desired nanostructures, including the presence of metastable states, kinetic traps, low aggregation rates, and insufficient understanding of phase behavior in complex mixtures. To address these issues, the authors propose a novel design pipeline utilizing patchy particles—colloidal building blocks with anisotropic surface chemistry or shape—to facilitate the self-assembly of complex structures, specifically targeting the pyrochlore lattice, which has not been successfully realized experimentally through self-assembly until now.
The authors employ a combination of theoretical modeling, simulations, and experimental validation to create a robust framework for designing DNA origami nanostructures that can self-assemble into the pyrochlore lattice. They utilize a SAT-assembly method to formulate the design problem as a Boolean satisfiability problem, allowing for the efficient exploration of interaction matrices that dictate how patchy particles bond. Through iterative simulations and optimization, they identify configurations that minimize the likelihood of kinetic traps and competing structures. The successful experimental realization of the pyrochlore lattice is demonstrated using both icosahedral and octahedral DNA origami designs, confirmed by small-angle X-ray scattering (SAXS) and scanning electron microscopy (SEM). This work not only showcases the potential of their design pipeline for creating complex lattice structures but also emphasizes its applicability to a broader range of nanostructures and assembly processes.