Quantitative Vorhersage der 3D-Lösungsform und Flexibilität von Nukleinsäure-Nanostrukturen

DNA-Nanotechnologie ermöglicht die programmierte Synthese von komplexen Nanostrukturen im Nanometerbereich für verschiedene Anwendungen in der Material- und Biowissenschaft. Eine präzise Kontrolle über die 3D-Lösungsform und mechanische Flexibilität der Zielentwürfe ist wichtig, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Da die experimentelle Validierung der entworfenen Nanostrukturen zeitaufwendig und kostspielig ist, haben prädiktive physikalische Modelle der Nanostrukturform und -flexibilität das Potenzial, den Designprozess erheblich zu verbessern. Hier erweitern wir erheblich und validieren experimentell ein rechnergestütztes Modellierungsrahmenwerk für DNA-Origami, das zuvor von CanDo Castro,C.E., Kilchherr,F., Kim,D.-N., Shiao,E.L., Wauer,T., Wortmann,P., Bathe,M., Dietz,H. (2011) A primer to scaffolded DNA origami. Nat. Meth., 8, 221-229. präsentiert wurde. Die 3D-Lösungsform und Flexibilität werden anhand von Basenpaarverbindungs-Karten vorhergesagt, die nun auch Einschnitte in der DNA-Doppelhelix, die entropische Elastizität von Einzelstrang-DNA und entfernte Überkreuzungen berücksichtigen, die erforderlich sind, um Drahtgitterstrukturen zu modellieren, zusätzlich zu den vorherigen Modellierungen (Castro,C.E., et al.), die nur die kanonische Torsion, Biegung und Dehnbarkeit von DNA-Domänen berücksichtigten. Eine systematische experimentelle Validierung der Flexibilität von Nanostrukturen, vermittelt durch die Dichte interner Überkreuzungen, die mit einem 32-Helix-DNA-Bündel untersucht wurde, zeigt erstmals, dass unser Modell nicht nur die 3D-Lösungsform komplexer DNA-Nanostrukturen vorhersagt, sondern auch deren mechanische Flexibilität. Somit stellt unser Modell einen wichtigen Fortschritt im quantitativen Verständnis der Form und Flexibilität von DNA-basierten Nanostrukturen dar, und wir erwarten, dass dieses Modell die Anzahl und Vielfalt synthetischer Nanostrukturen, die mit Nukleinsäuren entworfen werden, erheblich erhöhen wird.