[論文レビュー] Numerical evidence for nucleated self-assembly of DNA brick origami

Aleks Reinhardt, Daan Frenkel|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2014

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用数 1

ひとこと要約

本研究ではモンテカルロシミュレーションを用いて、約1000種類の異なるDNAストランドを用いたナノスケールの3次元構造体、たとえば立方体が、核化過程を経て自己集合する可能性を示した。シミュレーションでは、誤った集合が核化段階が遅いために不利益となるため、狭い温度範囲内で高精度な集合が達成されることが示された。これは、適切な設計が施された他の系でも、複雑な構造体が実現可能である可能性を示唆している。

ABSTRACT

The observation by Ke et al. [Science 338, 1177 (2012)] that large numbers of short, pre-designed DNA strands can assemble into three-dimensional target structures came as a great surprise, as no colloidal self-assembling system has ever achieved the same degree of complexity. That failure seemed easy to rationalise: the larger the number of distinct building blocks, the higher the expected error rate for self-assembly. The experiments of Ke et al. have disproved this argument. Here, we report Monte Carlo simulations of the self-assembly of a DNA brick cube, comprising approximately 1000 types of DNA strand, using a simple model. We model the DNA strands as lattice tetrahedra with attractive patches, the interaction strengths of which are computed using a standard thermodynamic model. We find that, within a narrow temperature window, the target structure assembles with high probability. Our simulations suggest that mis-assembly is disfavoured because of a slow nucleation step. As our model incorporates no aspect of DNA other than its binding properties, these simulations suggest that, with proper design of the building blocks, other systems, such as colloids, may also assemble into truly complex structures.

研究の動機と目的

• 約1000種類の異なるストランドを有する複雑なDNAブリック構造体の高精度な自己集合のメカニズムを解明すること。
• 自己集合における誤差率が、構築ブロックの数が増加するにつれて必然的に上昇するという仮定に挑戦すること。
• 核化ダイナミクスが、複雑な系における誤った集合を抑制する鍵的役割を果たすかどうかを特定すること。
• DNAブリック自己集合で観察された原則が、コロイドなどの他のプログラマブルな材料へ一般化可能かどうかを調査すること。

提案手法

• 約1000種類の異なるDNAストランドからなるDNAブリック立方体の自己集合をモデル化するために、モンテカルロシミュレーションが用いられた。
• DNAストランドは、結合相互作用を模倣するための特定の引力パッチを有する格子上の正四面体として表現された。
• DNAハイブリダイゼーションのエネルギー的性質を反映するために、標準的な熱力学モデルを用いてパッチ間の相互作用強度が計算された。
• さまざまな温度条件下での集合結果を調査することで、目的の構造体形成を促進する条件を同定した。
• モデルは結合特性を超える構造的詳細を除外し、集合の熱力学的および動的側面に焦点を当てた。
• 核化速度と誤った集合の確率を評価するために、集合経路が分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 約1000種類の異なるDNAストランドを有する系が、高精度で定義された3次元構造体に自己集合可能か？
• RQ2 複雑なDNAブリック系において、誤った集合が不利益となるのは、核化段階が遅いためであるか？
• RQ3 目的の構造体形成が誤りよりも顕著に有利になるような狭い温度範囲が存在するか？
• RQ4 DNAブリック自己集合の原則は、コロイドのような他のプログラマブルな材料へ拡張可能か？

主な発見

• 目的のDNAブリック立方体は、狭い温度範囲内で高い確率で集合し、最適な自己集合条件の特定された領域であることが示された。
• 核化段階が遅いために誤った集合が不利益となり、誤った構造体の形成確率が低下した。
• 核化が力学的に制御されている場合、高複雑性であっても誤差率が必然的に高くなるとは限らないことが、シミュレーションで示された。
• モデルに構造的詳細が欠如していることから、結合特性そのものがあれば、複雑な自己集合が可能であることが示唆された。
• これらの発見は、他の系、例えばコロイドが適切に設計されていれば、同様の複雑性を達成可能である可能性を示唆している。