PERDIX: Ein Algorithmus für das automatische Design von DNA-Origami unterschiedlicher Geometrien



    Wer sammelte nicht gerne Designer in seiner Kindheit? Ich erinnere mich noch an diese rote Schachtel mit einer Menge Metallteilen, Werkzeugen und einem Meer möglicher Ergebnisse, wenn nur Phantasie, Zeit und Verlangen vorhanden wären. LEGO sollte auch nicht vergessen werden, obwohl alles etwas einfacher und viel bunter war. Schwieriger ist jedoch, dass beide Entwickler von Nanostrukturen sind, die auf DNA-Origami basieren. Bisher wurden alle "Teile" solcher Strukturen manuell modelliert, was viel Zeit und Mühe kostete. Stellen Sie sich vor, Sie müssen alle LEGO-Teile selbst erstellen, bevor Sie sie zu einem riesigen Roboter mit Lasern, Düsenmotoren und einem Maschinengewehr an der Schulter zusammenbauen. Aber etwas Kindheitserinnerungen brachte uns in die falsche Steppe.

    Witze beiseite. Heute werden wir den Algorithmus kennenlernen, mit dem Sie DNA-Origami in einer recht unterschiedlichen Form automatisch erstellen können. Bisher wurde die Form der DNA-Stränge manuell auf die erforderliche Form geändert, was die Möglichkeiten eines solchen Verfahrens stark einschränkte. Mit demselben Algorithmus können Sie die Details des DNA-Konstruktors automatisch erstellen, sodass Sie sie weiter verwenden können, um zweidimensionale und dreidimensionale Nanostrukturen zu bilden. Außerdem steht dieser Algorithmus allen zur Verfügung. Ein Forschungsgruppenbericht hilft uns herauszufinden, was und wie es funktioniert. Lass uns gehen.

    Die Grundlage der Studie

    Die Verwendung von DNA als Baumaterial in Nanostrukturen für ein breites Anwendungsspektrum der letzten Jahre wurde zum Ziel vieler Studien und Experimente. Viele von ihnen haben hervorragende Ergebnisse erzielt, aber wie wir wissen, sind der Perfektion keine Grenzen gesetzt. Als Beispiele nennen Forscher monodisperse DNA-Strukturen auf der Megadalton-Skala mit einem hohen Koagulationsfaktor, die mit Hilfe von langen einzelsträngigen DNA-ssDNA-Gerüsten realisiert wurden. In diesem Fall ist jedoch die Länge der DNA-Stränge die Hauptbeschränkung für die Größe eines einzelnen DNA-Origamis. Diese Einschränkung kann umgangen werden, indem eine Struktur aus mehreren Origami auf einmal gebildet wird.

    Wir wissen auch schon (Tic-Tac-Toe: Demonstration des kontrollierten Prozesses der Rekonfiguration der DNA-Struktur ), dass es möglich ist, einige DNA-Strukturen mithilfe von DNA-Kacheln zu erstellen, wodurch es möglich wird, eine komplexe Geometrie dieser Struktur selbst zu bilden.

    Aber alles hängt auch davon ab, dass der Prozess manuell durchgeführt wird, und dies ist lang und trostlos. Was mögen Wissenschaftler? Richtig, Automatisierung oder zumindest Teilautomatisierung. Solche Tools gibt es bereits (zum Beispiel Wissenschaftler - caDNAno oder Tiamat), aber diese Programme haben ihre Nachteile. Erstens ist es immer noch ein manuelles Framing. Zweitens die Einschränkungen der oben genannten Algorithmen hinsichtlich der Systematisierung des Designs der Geometrie der Struktur.

    Kurz gesagt: In dieser Arbeit haben sich die Forscher das Ziel gesetzt, einen Algorithmus zu entwickeln, der fast alles selbstständig macht. Somit kann jede Person nur die Parameter der äußeren Hülle der gewünschten Struktur einstellen, und das Programm füllt das Innere unabhängig mit der gesamten erforderlichen DNA mit Fäden, Clips, Sequenzen und anderen Dingen. Es ist auch möglich, den Prozess in umgekehrter Reihenfolge auszuführen - um sozusagen alle "Innenbereiche" des Gitters der Struktur festzulegen, und der Algorithmus erstellt das richtige und optimalste Rahmenwerk.

    Dieses Open Source-Programm (PERDIX) steht absolut jedem zur Verfügung, wofür sich die Forscher bedanken. So kann jeder mit dem Programm selbst nicht nur „herumspielen“, sondern möglicherweise auch einige Verbesserungen an seinem Code vornehmen. Wo wir es herunterladen und wie man anfängt, schauen wir uns das Ende des Artikels an.

    Betrachten wir nun die Anwendungsbeispiele dieses Programms, die uns die Forschungsgruppe zur Verfügung gestellt hat.

    PERDIX-Testergebnisse


    Bild # 1.

    Als Eingabedaten wird entweder das Bild der Grenze der gewünschten Struktur ( 1A , oben) oder eine Zeichnung mit genaueren geometrischen Details ( 1A , unten) verwendet. Außerdem füllt das Programm selbst den internen Raum.

    Wenn nur die „Kontur“ angegeben wird, wird die interne Geometrie des Gitters der Struktur durch die Dreiecke mit dem Open-Source-Programm DistMesh gebildet, wobei nur die Dichte des Gitters als notwendiger Parameter eingeführt werden muss.

    Wenn die Form und die geometrischen Linien festgelegt sind ( 1A , unten), wird Shapely verwendet - ein Python-Paket zum Bearbeiten und Analysieren von flachen geometrischen Objekten. Formschön erzeugt ein Polygonnetz, in dem die Linien und Schnittpunkte die erforderliche Rahmengeometrie bilden.

    Nach der Bestimmung der gewünschten Form war es ferner erforderlich, die nominale Kantenlänge anzugeben, die ≥ 38 bp (gepaarte Basen) oder 12,58 nm betragen sollte. In der erforderlichen Struktur gibt es also definitiv mindestens zwei Paarkreuzungen für jede Kante.

    Dann werden alle Ziellinien der zukünftigen Struktur in DX-Kanten umgewandelt, in denen alle Scheitelpunkte Mehrfachverbindungspunkte ( 1B ) sind. Nach den Prinzipien der Graphentheorie wird automatisch eine optimale Gerüststruktur gebildet, wonach der Vorgang des Zuweisens einer Sequenz zusätzlicher DNA-Bänder abgeschlossen ist. Die manuelle Bearbeitung der Ausgabe (Ergebnisse) erfolgt mit Hilfe der generierten caDNAno-Datei.

    Wissenschaftler nennen ein sehr wichtiges Merkmal ihres Systems die Tatsache, dass die Rippen nicht mit einer ganzen Anzahl von B-DNA-Doppelhelix (10,5 bp) übereinstimmen müssen. Dadurch erhalten Sie mehr Freiheit bei der Gestaltung der Geometrie der Struktur.


    Bildnummer 2

    Um den automatischen Teil des Prozesses zum Ausbilden der Geometrie der Struktur schnell und genau auszuführen, müssen zunächst alle Kanten in DX-Motive konvertiert werden, indem jede Kante der Zielgeometrie unter Verwendung zweier antiparalleler Gerüstlinien ( 2A ) gerendert wird . Dann werden sie an einem einzigen Scheitelpunkt vereint, wodurch jede Kante Teil einer Schleife wird. Dies führt wiederum zur Bildung einer einzigen großen äußeren Schleife, die aus kleinen Schleifen besteht. Der nächste Schritt besteht darin, alle möglichen Varianten von Kreuzungen zwischen benachbarten Schleifen zu finden, d. H. Die Bildung einer Schleifenschnittstruktur.

    Der dritte Schritt in diesem Prozess besteht darin, alle als Knoten erhaltenen Strukturen und alle Überkreuzungen als Kanten der zukünftigen Struktur darzustellen.

    Als nächstes wird der Bedeckungsbaum des Doppelgraphen berechnet und anschließend in das ssDNA-Framework konvertiert. Dieser Vorgang läuft völlig automatisch ab. Schließlich wird auf atomarer Ebene ein dreidimensionales Strukturmodell erstellt.

    Das Bild 2B zeigt zwei Möglichkeiten zum Bilden der erforderlichen Geometrie der Struktur: mit einer diskreten Kantenlänge oder mit einer kontinuierlichen Kantenlänge. Mit der zweiten Option können Sie eine Struktur mit einer beliebigen Kantenlänge erstellen, die wiederum die größtmögliche Faltung ermöglicht. Diese Variationen der Strukturierung der Geometrie wurden mittels eines Rasterkraftmikroskops überprüft (Bilder rechts von Bild 2B ).


    Bildnummer 3

    Die Forscher haben sich außerdem zum Ziel gesetzt, Aspekte der Zielgeometrie wie mechanische Steifigkeit, Formgenauigkeit, Strukturgröße, innere Maschenweite und Arten ihrer Elemente genauer zu betrachten. Es war auch notwendig zu verstehen, wie wichtig die N-Äste sind, dh die Anzahl der Verbindungen zwischen den Rippen und folglich die Gesamtkomplexität der Struktur. Die Analyse der AFM-Daten zeigte, dass zweidimensionale Strukturen mit einer großen Anzahl von Verzweigungen und einer größeren Kantenlänge (aufgrund ungepaarter Nukleotide) ziemlich gut ausgebildet sind und die Heterogenität der Partikel in ihrer Struktur minimal ist.

    Das interne Gitter der Struktur hatte drei Optionen: Dreiecke mit der gleichen Richtung, Quadrate und Dreiecke mit verschiedenen Richtungen ( 3C)). Es war das Modell mit Dreiecken, das im Gegensatz zu dem Modell mit Quadraten die höchste Genauigkeit bei der Bildung der erforderlichen Geometrie zeigte. Das Vorhandensein gemischter Richtungen in einem Dreiecksmodell ermöglichte es uns, symmetrischere N-Äste und eine genauere Form (weniger verzerrt) zu erhalten.

    Wissenschaftler stellen fest, dass die Analyse des internen Gitters der zu modellierenden Struktur für das Verständnis der mechanischen Steifigkeit dieser Struktur äußerst wichtig ist. Und genau das oben beschriebene Modell ist ideal, um ausreichend starke, genaue (hinsichtlich der Einhaltung vorgegebener Parameter) und flexible Strukturen zu schaffen.


    Bildnummer 4

    Natürlich sind Wissenschaftler sozusagen nicht ohne Schönheit. Daher beschlossen sie, die Möglichkeiten ihrer Entwicklung zu demonstrieren, indem sie Strukturen in 15 verschiedenen Formen, genauer mit unterschiedlichen inneren Gittern und Rahmen, entwerfen. Wir können die Varianten im Bild oben sehen: Hier gibt es „gewöhnliche“ Quadrate, einen Viertelkreis und sogar einen Lotus.

    Open-Source-Software

    Wie bereits erwähnt, ist die Arbeit von Forschern für jeden durch den Link () zugänglich, in dem Sie die erforderlichen Software-Elemente (MATLAB, Python 2.7 und Shapely 1.6.4) finden.

    Der Algorithmus zum Bilden der Geometrie von DNA-Origami-Strukturen wird nachstehend im Videoformat beschrieben. Alle Videos verstecke ich unter dem Spoiler, um den Artikel nicht zu strecken.

    Video # 1: PERDIX-Start

    Ссылка для скачивания необходимых файлов, что была в ролике, сейчас не работает. Вот альтернативная — сслылка для скачивания.


    Video Nr. 2: Gestalten des Rahmens (Umfangs) der Struktur in PERDIX



    Video Nr. 3: Gestalten des Rahmens und der internen Struktur in PERDIX



    Video №4: Atommodelle (verschiedene Gitter)



    Video # 5: Atommodelle (N-Äste)



    Video # 6: Atommodelle (L-Modell)



    Video №7: Atommodelle (gekrümmter "Zweig")



    Für eine detailliertere Kenntnis dieser Studie und ihrer Ergebnisse empfehle ich nachdrücklich, den Bericht der Forschungsgruppe und weitere Materialien dazu zu lesen.

    Epilog

    Diese Studie zielte darauf ab, einen recht zeitaufwändigen und prozessintensiven Prozess zu vereinfachen. Und es stellte sich heraus. Mit dem PERDIX-Algorithmus können Sie Strukturen mit sehr unterschiedlichen Geometrien erstellen und dabei die minimal erforderlichen Parameter einstellen. DNA ist seit langem Gegenstand von Untersuchungen von Wissenschaftlern, nicht nur als Teil aller Lebens- und Informationsträger, sondern auch als mögliche Variante der Basis zukünftiger Technologien. Solche Arbeiten ermöglichen es, detaillierter (und klarer) zu verstehen, wie groß die Möglichkeiten von Nanostrukturen sind, die auf DNA-Origami basieren.

    Der zweite angenehme Moment in dieser Studie ist zumindest für mich, dass der Algorithmus für jeden verfügbar ist. Jeder kann es benutzen, jeder kann es verbessern. Durch den uneingeschränkten Zugang sowohl zu ihrem Bericht als auch zur Software selbst tragen Wissenschaftler nicht nur zur Popularisierung ihrer Forschungsindustrie bei, sondern auch zur Wissenschaft als solcher.

    Ich bin auf Artikel gestoßen, in denen Wissenschaftler ziemlich kritisch über ein bezahltes Zugangssystem zu Berichten gesprochen haben, mit dem Argument, dass dies eine zusätzliche Barriere zwischen Wissen und gewöhnlichen Menschen darstellt. Die Situation in dieser Angelegenheit ist sehr zweideutig und umstritten, da jeder Geld verdienen sollte (wissenschaftliche Veröffentlichungen, Forschungsgruppen und wissenschaftliche Standorte), aber auch die stark gestiegenen Kosten für den Zugang zu einigen Studien machen sie für gewöhnliche Naturliebhaber, Studenten und sogar für Professoren und andere Wissenschaftler unzugänglich wissenschaftliche Zahlen. Wie bereits gesagt, ist die Frage mehrdeutig, deshalb werden wir sie nicht stark berühren. Auf jeden Fall freuen wir uns, dass unsere heutigen Helden uns vollen Zugang zu ihrer Arbeit verschafft haben, die nicht nur Aufmerksamkeit, sondern auch offene Bewunderung verdient.

    Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs.

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