FOLDNA, Web服务器DNA纳米结构自组装Autoscaffolds Autostaples

文摘

DNA自组装纳米技术,DNA折叠成所需的形状。DNA自组装纳米结构,也称为折纸,越来越有价值的纳米材料和生物传感。两种方法可以使用DNA纳米结构在医学上形成纳米阵列,并作为药物运输车辆。DNA纳米结构作为生物材料在这些领域表现良好,因为他们有空间可寻址和尺寸可控的属性。然而,手动为自组装设计互补DNA序列是一个技术要求和耗时的任务,这使得它便于电脑做这份工作。FOLDNA,我们开发了一个web服务器可以自动设计二维自组装DNA纳米结构根据自定义图片和脚手架序列由用户提供。它是第一个web服务器提供一个完全自动的DNA自组装纳米结构的设计,和只花了几秒钟来生成分子实验的综合信息,包括:支架DNA通路,主要DNA的方向,和短的DNA序列。这个程序可以节省多达几个小时在设计步骤为每个DNA纳米结构。我们随机选择一些形状和相应的输出从我们的服务器和验证其性能在分子实验。

1。介绍

当沃森和克里克发现核酸配对规则1953年,DNA自组装成立的理论基础。1982年,Seeman奠定了基础的“结构性DNA纳米技术”DNA折叠成格(1]。在2006年晚些时候,Rothemund发起了空间限制2 d DNA自组装结构通过使用自底向上的方法,也称为DNA折纸(2,3]。同年,不对称的DNA自组装纳米结构被钱折叠et al。4]。此后,DNA纳米结构的研究和诊断的应用不断发展,等方法来检测单核苷酸多态性在平坦的DNA折纸,将抗体在瓷砖和执行核糖核酸杂交分析5- - - - - -8]。

自组装DNA是由长DNA单链脚手架和短单链DNA被称为斯台普斯。斯台普斯的数量是由支架的长度的DNA决定的,通常是7 kilobase-long。使用自底向上的制备方法,支架DNA折叠形成纳米结构的形状,而主要DNA修复支架DNA,从而形成二维DNA纳米结构。随着DNA纳米技术的发展,计算机辅助设计软件的核酸是帮助开发的DNA纳米结构的计算(9- - - - - -15]。通过使用软件,设计DNA纳米结构自组装的效率大大提高了。然而,仍然有几个手动步骤设计纳米结构,包括主食和修改边界计算脚手架DNA长度在每一行,需要一个完整的理解DNA折纸技术细节。因此自动设计工具提供了一个更容易获得DNA奈米制造的工具应用到相关领域的研究人员,例如,纳米颗粒基本药物输送,将DNA自组装技术介绍给更多的跨学科领域(16]。

在我们的服务器FOLDNA,脚手架的途径是根据给定的形状自动生成图片。主要DNA链,一般32个核苷酸(nt),生成和支架。我们填写主要根据DNA DNA螺旋转矩角,确保最后根据Rothemund纳米结构是平的方法(2]。FOLDNA的帮助下,整个过程的DNA纳米结构设计简化形象准备,检查结果,并下令寡核苷酸进行实验。这个开放的服务器是可用的http://www.bio-x.cn/foldna/。

2。结果

2.1。服务器的结果

web服务器FOLDNA(图提供了一个用户友好的界面1)。一个例子脚手架DNA (M13mp18),用户可以定制,提供一个快速测试。通过提交所需的形状的DNA纳米结构作为黑白图像,连同支架DNA序列,用户可以获得完整的短DNA序列杂交在脚手架DNA形成所需的形状。无论大小给定的图片,程序会自动调整图片,这样长支架的DNA可以优化填充进去。结果显示在FOLDNA包含路径和序列的折叠支架主要DNA和DNA,可直接用于实验。最后,湿实验室进行的实验来验证程序的结果(图2)。

3所示。解读的结果显示在Web服务器

3.1。数字化图像

数字化图像显示和上传图片。数字化图像轮廓显示图像是如何由支架的DNA。数字化图像中的每个数字代表一个基本建筑砖(简称砖)。在这里,每个砖的宽度等于8基地的核酸,而高度等于2行。当矩形砖都是单色图像,砖在边框线将选择或放弃。我们试图充分利用脚手架序列,避免让单链形式不匹配。在这里,我们使用一个浮点值系统评估的百分比黑色区域和确定边界砖是否应该选择。这个百分比不能被设置为固定值,因为严格的价值并不适合所有的图像。因此,一个浮点计算根据每张图片,前提下,有足够的脚手架DNA来填补,从而确保边境砖的最大数量。因此,左支架DNA在web页面的长度通常不超过50个基地。

3.2。支架结构

在我们的项目中,默认长M13mp18单站DNA作为支架,从噬菌体M13 7 kb单链DNA。然而,如果不同的支架需要,用户可以定制自己的序列。根据上传的序列的长度,程序中的图像缩放或适合之前上传的模板生成脚手架通路。FOLDNA能够处理复杂的图像,比如图像有洞或图像不稳定的边界。

最大化我们的web服务器的功能,我们已经制定了一个计划,可以处理任何持续的形象。我们的程序在任何地点接受形状有洞或压痕。自底向上的设计方法是专门用来确保所有复杂的形状可以合理地填满的脚手架序列。

3.3。主要结构

因为支架DNA主要是小心翼翼的,它需要一些垂直修好它。主要DNA结合周边脚手架链。根据Rothemund的论文(2),斯台普斯第一次设计结合相邻的上、下支架DNA,约8基地上一个和另一个8基地。使它更稳定,相邻的主食有联系,增加纤维的平均长度约32基地。在顶部和底部边缘,主食是长时间或减少程序以确保边缘完全配对。最短的主要服务器生成的DNA是24基地,而最长的主食是40基地。这个范围内确保一个合理的熔化温度和合成和纯化的合理长度。

与用户确定脚手架DNA长度、序列和所需的形状,自动计算短DNA序列。

3.4。短序列

在web服务器上,主要的DNA序列可以作为一个孤立的文件下载。当关闭网页,数字化图像将到期,但短序列的链接仍将有效,直到服务器空间已满,此时旧文件将被取代。

4所示。实验结果

设计结果FOLDNA由分子实验验证。他们被上传测试一个简单的图像的六边形和复杂图像与凹度和孔,随着例子脚手架DNA (M13mp18),检查我们的服务器的能力。我们订购主要根据其产出和DNA进行组合的自组装实验主要DNA固定在支架的DNA。DNA纳米结构组装的形状通过AFM毫微秒示波器观察到。我们发现纳米结构的折叠根据所需的形状,验证应用的力量我们的服务器在2 d DNA纳米结构的自动设计。2 d DNA纳米结构的广泛应用,如检测单核苷酸多态性DNA折纸平坦,附加抗体在瓷砖和核糖核酸杂交分析,不断发现,FOLDNA将是一个有效和强大的工具在设计复杂的或高吞吐量DNA纳米结构的实验和进一步的研究。

5。讨论

由于DNA自组装纳米结构的计算机辅助设计的发展,软件提供了重要的便利。这样的软件提供了自动设计的主要序列根据客户支架结构。手动支架的设计途径是乏味和麻烦,并且没有包含在这样的计算机应用程序。因此,智能程序,上面所有步骤,执行,可以携带DNA纳米结构自组装成不使用其他计算平台将会增加用户的可访问性和DNA纳米结构自组装。

Web服务器FOLDNA是这样一个计划。它是第一个程序提供完全自动DNA支架的设计途径根据给定的连续图像。与同一客户上传图片,更长的DNA支架将提供一个更大的结构和更好的细节如果设计是复杂的。显然,更长的支架需要更多的计算工作。因此,用户可以定制他们自己的纳米结构与任何类型的脚手架等潜在用途的DNA可能绑定,识别、亲和力、特殊化学物质的检测或大分子。DNA纳米结构的传统设计方法需要首先格子上画出黑白图像,计算图像的面积计算单位。然后,脚手架DNA的途径可以覆盖镌刻到晶格,近似DNA在每一行的长度和线的总数都是手工计算。最后纳米结构分为几个部分,设计部分的部分,确保脚手架的DNA是连续的在任何时候。然而,在我们的帮助下FOLDNA,上面所有的步骤可以立即执行的准确性和质量。FOLDNA可以创建一个计划中,无论多么复杂的所需的图像,图像是否有洞或洞穴内部或边缘。

6。材料和方法

6.1。寡核苷酸

单链DNA M13mp18购买来自新英格兰生物学实验室,储存在10毫米Tris-HCl (pH值7.5),1毫米EDTA。斯台普斯DNA从GeneRay订购,纯化的页面。

6.2。形成DNA纳米结构的方法

在反应中,主食是稀释至约0.025微米。每个样本(30 ul)包含0.5 ul脚手架DNA M13 mp18 7.5 ul TAE-Mg2 +缓冲区和22 ul稀释主食DNA。自组装的DNA进行PCR机器。寡核苷酸的混合物是变性在95度2分钟,然后慢慢冷却到20度在大约2小时,0.1度的速度每10秒,杂交。组装步骤完成后,样品保存在4度到加载AFM成像。

6.3。AFM成像

原子力显微镜成像是在Veeco进行多模毫微秒示波器三世,液相开发模式。E扫描仪与NP / S技巧用于成像。2 ul示例加载在新鲜裂解云母,和额外的20 ul TAE-Mg2 +缓冲区之前添加到悬臂夹进盒子。利用振幅选点约0.4 mV,使用大约9.7 kHz共振频率。

6.4。服务器端计算Autoscaffold

当一个单色图像上传所需的形状,它是调整大小以适合支架的长度。服务器最佳的利用DNA支架,支架的两端彼此接近,以便程序兼容圆形或线性DNA (17]。单色的图像是由砖为基本单位,然后填满显示为数字输出的数字化图像。每个砖建立2条平行线8元,砖的数量在每一行是偶数,确保脚手架16元为基本单位。

接下来,为了确保整个结构是平的组装后,服务器计算脚手架DNA的接缝和途径根据以前的出版物使用的方法(2,15]。通过这些方法的优势,失败将会在所有的水平线单色图像,确保整个图像覆盖的脚手架DNA(图3)。最长的顶部缝设置作为默认起始点的支架和一个默认填写朝着正确的方向。

6.5。服务器端计算Autostaple

Autostaple已经用于一些软件(10,13,15),然而,与参与额外的短边缘主食,主食的手动修改DNA是必要的。然而,在我们的帮助下服务器,完全互补的主食是自动生成的,砖根据脚手架通路。在我们的程序中,主要分为两种类型,主食2亚型。一般类型包括年代和Z亚型,而特殊类型包括L和R亚型(图4)。

年代和Z亚型是脚手架的一般选择互补。然而,这条规则不能工作当一个seam位于甚至砖远离边缘。纳米结构将单独分开沿缝如果使用这种通用的主食。在这一点上,L和R亚型,主要应用在一起双方的脚手架的DNA。

在顶部和底部边缘,主食有变化。顶部,S和Z亚型的主食没有顶部空间扩展所以他们8基地不到一般类型。与此同时,在底部,他们延长8基地再补脚手架。L和R亚型的主食,还有一个变化在顶部和bottom-these主食延长成一条直线。

作者的贡献

周c和h·罗的贡献同样工作。

确认

作者感谢国家关键技术研发项目(2012 bai01b09), 973年计划(2010 cb529600),和中国的国家自然科学基金(81121001)的金融支持。

补充材料

引用

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