[論文レビュー] Hairygami: Analysis of DNA Nanostructures' Conformational Change Driven by Functionalizable Overhangs

Matthew Sample, Hao Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2023

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 49被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、機能化可能な一本鎖DNAオーバーハングが、エントロピー効果によって2次元DNAオリガミタイルの曲がりを誘導することを明らかにした。これは、oxDNA粗粒度分子動力学シミュレーションとTEMを用いた実験的検証によって示された。オーバーハングは溶液中でのコンformationalエンsembleを変化させ、オリガミ構造が平坦のまま保たれるという仮定に疑問を呈するものであり、より頑丈なDNAナノ構造の設計およびオーバーハング工学による形状制御に意義を持つ。

ABSTRACT

DNA origami is a widely used method to construct nanostructures by self-assembling designed DNA strands. These structures are often used as "pegboards" for templated assembly of proteins, gold nanoparticles, aptamers, and other molecules, with applications ranging from therapeutics and diagnostics to plasmonics and photonics. Imaging these structures using AFM or TEM does not capture their full conformation ensemble as they only show their shape flattened on a surface. However, certain conformations of the nanostructure can position guest molecules into distances unaccounted for in their intended design, thus leading to spurious interactions between guest molecules that are designed to be separated. Here, we use molecular dynamics simulations to capture conformational ensemble of 2D DNA origami tiles and show that introducing single-stranded overhangs, which are typically used for functionalization of the origami with guest molecules, induces a curvature of the tile structure in the bulk. We show that the shape deformation is of entropic origin, with implications for design of robust DNA origami breadboards as well as potential approach to modulate structure shape by introducing overhangs. We then verify experimentally that the DNA overhangs introduce curvature into the DNA origami tiles in divalent as well as monovalent salt buffer conditions. We further experimentally verify that DNA origami functionalized with attached proteins also experience such induced curvature. We provide the developed simulation code implementing the enhanced sampling to characterize conformational space of DNA origami as open source software.

研究の動機と目的

• 溶液中における2次元DNAオルタナスタイルのコンformationalダイナミクスに、機能化可能なDNAオーバーハングが及ぼす影響を調査すること。
• 表面ベースのイメージング技術（例：AFM、TEM）が溶液中コンformationalエンセンブルを捉えきれないという限界を解決すること。
• オーバーハングが意図された設計を超えてDNAオルタナスに構造的変形を引き起こすかどうかを特定すること。
• ボリューム溶液中におけるDNAナノ構造のコンformationalエンセンブルを特徴付けるための計算的・実験的フレームワークを提供すること。
• オーバーハング誘発形状変化を理解することで、頑丈なDNAオルタナスブレッドボードの設計原理を確立すること。

提案手法

• GPUアクセラレーションを用いたoxDNA粗粒度モデル（バージョン2）を用い、さまざまなオーバーハング長を有する2次元DNAオルタナスタイルをシミュレーションした。
• 終点間距離（R_ee）を順序パラメータとして、調和的バイアスポテンシャルを用いたアンブルブルム・サンプリングにより、自由エネルギー分布を計算した。
• 重み付きヒストグラム解析法（WHAM）を用い、シミュレーションデータをアンバイアス処理し、200ビンを用いて自由エネルギーのランドスケープを再構築した。
• 自由エネルギー分布および重み付き平均の誤差推定のために、モンテカルロブートストラップ法を適用した。
• 多項式フィッティングを用いて、R_eeと曲がりの角度との関係を導出し、構造的解釈に用いた。
• ゲル電気泳動および負染め走査型電子顕微鏡（TEM）を用いた実験的検証により、予測を検証した。

Figure 1: The addition of overhangs causes a $2$ D DNA origami tile $(a)$ to adopt a curved shape $(b)$ . The origin of the curvature is mainly due to the entropic penalty of the overhang sequences on a flat surface $(c)$ , compared to a curved surface $(d)$ (shown schematically as a side view of an

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶液中において、機能化可能なDNAオーバーハングは2次元DNAオルタナスタイルに構造的曲がりを誘導するか？
• RQ2 オーバーハングが誘導する曲がりの熱力学的起源は何か—エントロピー的かエンタルピー的か？
• RQ3 オーバーハングの長さと位置は、溶液中におけるDNAオルタナスのコンformationalエンセムブルにどのように影響するか？
• RQ4 分子動力学シミュレーションは、オーバーハングを有するDNAオルタナスの溶液中形状を正確に予測できるか？
• RQ5 AFM や TEM などの表面ベースのイメージング技術は、DNAオルタナスの真の溶液中コンformationにどの程度不適切な代表を提供するか？

主な発見

• 一本鎖オーバーハングは、溶液中における2次元DNAオルタナスタイルに測定可能な曲がりを誘導し、オーバーハング長が長いほど曲がりの程度が大きくなる。
• 自由エネルギー分布により、曲がりがエントロピー的効果によって駆動されていることが確認された。
• 自由エネルギーのランドスケープは、R_ee ≈ 30 nmに最小値を持つ安定した曲がった状態を示し、好ましい湾曲したコンformationを示している。
• 40個のオーバーハングを有するシミュレーションでは、1枚のGPU上で並列実行した場合、サンプリング効率が2.6倍向上し、大規模なコンformational解析が可能になった。
• 実験的TEMイメージングにより、オーバーハング機能化されたオルタナスタイルに曲がりの存在が確認され、シミュレーションの予測が検証された。
• 本研究は、オーバーハングを溶液中におけるDNAナノ構造の形状を能動的に制御する設計要素として用いることが可能であることを示した。

Figure 2: $(a)$ Mean structure of twist-corrected rectangular origami with $169$ overhang extensions comprised of twenty nucleotide bases. The arrows indicate the measured end-to-end distance order parameter ( $R_{\rm ee}$ ) used to model the curvature of the structures. Low $R_{\rm ee}$ values corr