[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究通过蒙特卡洛模拟表明，DNA砖折纸结构可通过成核过程自组装成复杂三维结构（如由约1000条不同DNA链构成的立方体）。模拟结果显示，在狭窄的温度窗口内可实现高保真度的自组装，由于成核步骤缓慢，错误组装被抑制，表明通过合理设计，其他系统亦可实现复杂结构。

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.

研究动机与目标

• 研究约1000条不同链的复杂DNA砖结构实现高保真度自组装的机制。
• 挑战增加不同构建单元数量必然提高错误率的假设。
• 确定成核动力学是否在抑制复杂系统中错误组装方面起关键作用。
• 探索DNA砖自组装中观察到的原理是否可推广至其他系统（如胶体）。

提出的方法

• 使用蒙特卡洛模拟模拟由约1000条不同DNA链组成的DNA砖立方体的自组装过程。
• 将DNA链表示为具有特定吸引力贴片的晶格四面体，以模拟结合相互作用。
• 利用标准热力学模型计算贴片之间的相互作用强度，以反映DNA杂交的热力学能。
• 在一系列温度下探索自组装结果，以识别有利于目标结构形成的条件。
• 模型排除了结合特性以外的结构细节，仅关注自组装的热力学和动力学方面。
• 分析自组装路径以评估成核速率和错误组装概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有约1000条不同DNA链的系统能否以高保真度自组装成定义明确的三维结构？
• RQ2 缓慢的成核步骤是否导致复杂DNA砖系统中错误组装被抑制？
• RQ3 是否存在一个狭窄的温度窗口，使得目标结构的形成显著优于错误组装？
• RQ4 DNA砖自组装的原理是否可推广至其他可编程材料（如胶体）？

主要发现

• 目标DNA砖立方体在狭窄温度窗口内以高概率自组装，表明存在特定的最优自组装条件区域。
• 由于成核步骤缓慢，错误组装被抑制，从而降低了错误结构形成的概率。
• 模拟表明，当成核过程受动力学控制时，高复杂性并不会必然导致高错误率。
• 模型中缺乏结构细节，表明仅靠结合特性即可实现复杂自组装。
• 研究结果表明，若设计得当，其他系统（如胶体）也可实现类似复杂度。