[논문 리뷰] Hairygami: Analysis of DNA Nanostructures' Conformational Change Driven by Functionalizable Overhangs

Matthew Sample, Hao Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 17.

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology참고 문헌 49인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 기능화 가능한 단일화합체 DNA 오버행이 엔트로피 효과로 인해 2D DNA 오리지니 타일의 굴곡을 유도함을 보여주며, oxDNA 군집화된 분자 동역학 시뮬레이션과 전자현미경(TEM)을 통한 실험적 검증을 통해 이를 입증한다. 오버행은 용액 내에서 구형성의 변화를 유도하여 오리지니 구조가 평평하다는 가정에 도전하며, 이는 강력한 DNA 나노구조를 설계하고 오버행 공학을 통해 형태를 제어하는 데 의미가 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 용액 내에서 기능화 가능한 DNA 오버행이 2D DNA 오리지니 타일의 구형성 역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 표면 기반 영상 기술(예: AFM, TEM)이 용액상의 구형성 분포를 포착하지 못하는 한계를 해결하는 것.
• 오버행이 의도된 설계를 초월해 DNA 오리지니에 구조적 변형을 유도하는지 확인하는 것.
• 용액 내 DNA 나노구조의 구형성 분포를 특성화하기 위한 계산 및 실험적 프레임워크를 제공하는 것.
• 오버행에 의한 형태 변화를 이해함으로써 강력한 DNA 오리지니 브레드보드 설계 원칙을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• GPU 가속 시뮬레이션을 사용하여 다양한 오버행 길이를 가진 2D DNA 오리지니 타일을 모델링하기 위해 oxDNA 군집화 모델(버전 2)을 활용하였다.
• 순서 매개변수로 끝에서 끝까지의 거리(R_ee)를 기반으로, 조임막 시뮬레이션을 사용하여 자유 에너지 프로파일을 계산하였다.
• 가중 히스토ограм 분석 방법(WHAM)을 적용하여 시뮬레이션 데이터의 편향을 제거하고 200개의 바인을 사용하여 자유 에너지 지형도를 재구성하였다.
• 자유 에너지 프로파일과 가중 평균에 대한 오차 추정을 위해 몬테카를로 부트스트랩핑을 수행하였다.
• R_ee를 굴곡 각도와 연결하기 위해 다항식 피팅을 적용하여 구조적 해석을 보조하였다.
• 젤 전기영동과 음성 염색 전자현미경(TEM)을 사용하여 예측 결과를 실험적으로 검증하였다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 용액 내에서 기능화 가능한 DNA 오버행이 2D DNA 오리지니 타일에 구조적 굴곡을 유도하는가?
• RQ2 오버행에 의해 유도된 굴곡의 열역학적 기원은 무엇인가—엔트로피적일까, 엔탈피적일까?
• RQ3 오버행 길이와 위치는 용액 내 DNA 오리지니의 구형성 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 분자 동역학 시뮬레이션이 오버행이 있는 DNA 오리지니의 용액상 형태를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 AFM 및 TEM과 같은 표면 기반 영상 기술이 DNA 오리지니의 진정한 용액상 구조를 얼마나 잘못 표현하는가?

주요 결과

• 단일화합체 오버행은 용액 내에서 2D DNA 오리지니 타일에 측정 가능한 굴곡을 유도하며, 오버행 길이가 길수록 굴곡 정도가 증가한다.
• 자유 에너지 프로파일을 통해 굴곡된 구조가 선호됨을 확인함으로써 굴곡은 엔트로피 효과에 의해 유도됨을 입증하였다.
• 자유 에너지 지형도는 R_ee ≈ 30 nm에서 최소값을 가지며 안정된 굴곡된 상태를 나타내어 선호되는 굴곡된 구조를 시사한다.
• 40개의 오버행을 가진 시뮬레이션은 단일 GPU에서 병렬로 실행되었을 때 샘플링 효율이 2.6배 향상되어 대규모 구형성 분석이 가능해졌다.
• 실험적 TEM 영상에서 오버행 기능화된 오리지니 타일에 굴곡이 존재하는 것으로 확인되어 시뮬레이션 예측을 검증하였다.
• 본 연구는 오버행을 활성적으로 용액 내에서 DNA 나노구조의 형태를 조절하는 설계 요소로 활용할 수 있음을 보여주었다.

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