[논문 리뷰] Numerical evidence for nucleated self-assembly of DNA brick origami

Aleks Reinhardt, Daan Frenkel|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 25.

Advanced biosensing and bioanalysis techniquesBiochemistry, Genetics and Molecular Biology인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 약 1000개의 서로 다른 DNA 스트랜드를 포함하는 복잡한 3D 구조물인 큐브와 같은 DNA 브릭 오리지니가 핵형성 과정을 통해 자가 조립될 수 있음을 입증한다. 시뮬레이션은 좁은 온도 범위 내에서 고정밀도의 조립을 보여주며, 이는 핵형성 단계가 느리기 때문에 잘못된 조립이 불리하게 작용하기 때문이다. 이는 적절한 설계를 통해 다른 시스템에서도 복잡한 구조물이 구현될 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 약 1000개의 서로 다른 스트랜드를 포함하는 복잡한 DNA 브릭 구조물의 고정밀 자가 조립 메커니즘을 규명하는 것.
• 자기 조립에서 서로 다른 구성 블록의 수가 증가할수록 오류 비율이 필연적으로 증가한다는 가정을 도전하는 것.
• 핵형성 역학이 복잡한 시스템에서 잘못된 조립을 억제하는 데 핵심적인 역할을 하는지 확인하는 것.
• DNA 브릭 자가 조립에서 관찰된 원칙이 콜로이드와 같은 다른 시스템으로 일반화될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 약 1000개의 서로 다른 DNA 스트랜드로 구성된 DNA 브릭 큐브의 자가 조립을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• DNA 스트랜드는 특정한 구 attraction 패치를 가진 격자 기반의 정사면체로 표현되어 상호작용을 시뮬레이션하였다.
• DNA 복합화 열역학적 에너티크스를 반영하기 위해 표준 열역학 모델을 사용해 패치 간 상호작용 강도를 계산하였다.
• 목표 구조 형성이 유리한 조건을 도출하기 위해 다양한 온도 범위에서 조립 결과를 탐색하였다.
• 모델은 결합 특성 이외의 구조적 세부 정보를 배제하여 자가 조립의 열역학적 및 동역학적 측면에 집중하였다.
• 핵형성 속도와 잘못된 조립 확률을 평가하기 위해 조립 경로를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약 1000개의 서로 다른 DNA 스트랜드를 가진 시스템이 높은 정밀도로 정의된 3D 구조로 자가 조립될 수 있는가?
• RQ2 복잡한 DNA 브릭 시스템에서 잘못된 조립이 불리하게 작용하는 이유가 느린 핵형성 단계 때문인가?
• RQ3 목표 구조 형성이 오류보다 크게 유리한 좁은 온도 창이 존재하는가?
• RQ4 DNA 브릭 자가 조립에서 관찰된 원칙은 콜로이드와 같은 다른 프로그래머블 재료로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 목표 DNA 브릭 큐브는 좁은 온도 창 내에서 높은 확률로 조립되었으며, 이는 최적의 자가 조립 조건을 나타내는 특정 영역임을 시사한다.
• 느린 핵형성 단계로 인해 잘못된 조립이 불리하게 작용하여 잘못된 구조 형성이 줄어들었다.
• 시뮬레이션은 핵형성이 동역학적으로 제어될 경우 고복잡도가 반드시 높은 오류 비율로 이어지지 않음을 입증하였다.
• 모델에서 구조적 세부 정보가 생략된 점은 결합 특성만으로도 복잡한 자가 조립이 가능하다는 것을 시사한다.
• 연구 결과는 구성 요소가 적절히 설계된 다른 시스템, 예를 들어 콜로이드 역시 유사한 복잡성을 달성할 수 있을 것임을 암시한다.