[論文レビュー] Inverse design of a pyrochlore lattice of DNA origami through model-driven experiments

Hao Liu, Michael Matthies+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2023

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、SATアセンブリ最適化と粗視化シミュレーションを組み合わせたモデル駆動型逆設計パイプラインを提示し、DNAオリガミを用いたペロブスカイト格子の実験的裏付け付き自己集合を可能にした。反復的なキネティックトラップおよび競合相の禁止により、目的の3次元格子の高収率・トラップフリーな自己集合が達成され、SAXSおよびSEMにより確認された。それぞれの正八面体およびイコサンダーラ型設計の格子定数は156.4 nmおよび159.1 nmであった。

ABSTRACT

Sophisticated statistical mechanics approaches and human intuition have demonstrated the possibility to self-assemble complex lattices or finite size constructs, but have mostly only been successful in silico. The proposed strategies quite often fail in experiment due to unpredicted traps associated to kinetic slowing down (gelation, glass transition), as well as to competing ordered structures. An additional challenge that theoretical predictions face is the difficulty to encode the desired inter-particle interaction potential with the currently available library of nano- and micron-sized particles. To overcome these issues, we conjugate here SAT-assembly -- a patchy-particle interaction design algorithm based on constrained optimization solvers -- with coarse-grained simulations of DNA nanotechnology to experimentally realize trap-free self-assembly pathways. As a proof of concept we investigate the assembly of the pyrochlore (also known as tetrastack) lattice, a highly coveted 3D crystal lattice due to its promise in construction of optical metamaterials. We confirm the successful assembly with two different patchy DNA origami designs via SAXS as well as SEM visualization of the silica-coated lattice. Our approach offers a versatile modeling pipeline that starts from patchy particles designed in silico and ends with wireframe DNA origami that self-assemble into the desired structure.

研究の動機と目的

• 複雑な自己集合ナノ構造の実験的実現を妨げる一般的なキネティックトラップおよび競合相を克服すること。
• 理論的予測と実験的成功を結びつける一般化可能な設計フレームワークを開発すること。
• 光学メタマテリアルに有望な構造として長年求められ続けているペロブスカイト格子の実験的実現を可能にすること。
• パッチ付き粒子相互作用を用いた、長距離および有限サイズのアセンブリを設計するスケーラブルでオープンソースのパイプラインを構築すること。
• 計算最適化、シミュレーション、および標的実験の統合により、複雑な格子幾何構造を実現できることを示すこと。

提案手法

• SATアセンブリアルゴリズムを用いて、格子トポロジーをブール節に翻訳し、ユニットセル制約を満たす相互作用行列を解くことで、パッチ付き粒子相互作用を設計する。
• さまざまな温度における粗視化分子動力学シミュレーションを実施し、キネティックトラップおよび競合相を特定・スクリーニングする。
• 不適切な状態をその後のSATソルバー反復で明示的に禁止することで、目標のペロブスカイト格子にのみ有利な相互作用設計を洗練させる。
• 特定のDNA配列および結合部位を用いて、方向性を持つ相互作用を符号化することで、最終的なパッチ付き粒子設計をDNAオリガミで実現する。
• 小角X線回折（SAXS）および走査型電子顕微鏡（SEM）を用いた実験的裏付けを実施し、内部構造解析のためのFIB断面分析を併用する。
• ヌクレオチドレベルの粗視化モデルにより、設計されたパッチ付き相互作用とDNAナノ構造実現の整合性を検証する。

Figure 1: Workflow of the computational design with SAT-assembly: a) The topology of the unit cell of a pyrochlore lattice, where each particle has six neighbors. b) The design problem to find a fixed number of species of patchy particles that satisfy the unit cell lattice is translated into a set o

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制約付き最適化とシミュレーションに基づく計算設計パイプラインは、ペロブスカイト構造のような複雑な3次元格子の実験的自己集合を効果的に誘導できるか？
• RQ2 パッチ付き粒子相互作用の逆設計において、キネティックトラップおよび競合する秩序相を体系的に同定し、排除する方法は何か？
• RQ3 この設計パイプラインは、ペロブスカイト格子を超えて、他の複雑な格子や有限サイズのアセンブリへ一般化可能か？
• RQ4 DNAオリガミは、3次元における長距離秩序を達成するために必要な精度で、必要なパッチ付き粒子相互作用を設計可能か？
• RQ5 メソスケールでのペロブスカイト格子の形成を信頼性高く確認するための実験的手法は何か？特に格子定数および内部秩序を含めて。

主な発見

• 逆設計パイプラインによりキネティックトラップおよび競合相が効果的に排除され、目標のペロブスカイト格子にのみ対応する自己集合経路が達成された。
• SAXS測定により、正八面体型DNAオリガミ設計では156.4 nm、イコサンダーラ型設計では159.1 nmの格子定数を有する格子構造が確認された。
• SEMおよびFIB断面像により、顕著な欠际のない長距離内部秩序が観察され、アセンブリド格子の構造的正確性が裏付けられた。
• 2種類の異なるDNAオリガミ設計を用いて実現された実験的実現は、設計パイプラインの強靭性および多様性を示した。
• DNAオリガミのブロックのサイズおよび内部特徴を調整することで、格子定数を精密に制御でき、これが最終的な格子の光学的特性に影響を及ぼすことが分かった。
• 設計およびシミュレーションパイプライン全体がオープンソースソフトウェアとして公開され、他の複雑なナノ構造への広範な応用が可能となった。

Figure 2: Transferring the patchy particle design to the sequence design of DNA nanostructures with oxDNA simulations of the assembled lattice. a Octahedral and c icosahedral DNA origamis are selected for the experimental implementation of patchy particles, with patches realized as single-stranded o