Projektowanie bioresponsywnego robota z DNA Origami

Ogólnym celem tej procedury jest zaprojektowanie urządzenia robotycznego z origami DNA przy użyciu oprogramowania CAD nano. Osiąga się to poprzez zainstalowanie najpierw CAD nano i użycie go do nakreślenia ogólnego kształtu robota. Drugim krokiem jest zaprojektowanie ścieżki pasma rusztowania.

Następnie zszywki są wstawiane i edytowane. Ostatnim krokiem jest ustawienie funkcji sterowania, w tym ładunku, miejsc mocowania i bramek. Ostatecznie generowana jest lista części DNA do zamówienia przed montażem.

Główną zaletą tej techniki jest to, że upraszcza i standaryzuje projektowanie obiektów origami DNA do różnych zastosowań. Procedurę zademonstruje Alad Bei, doktor habilitowany, pracujący nad dynamiką robotów origami DNA w moim laboratorium. Aby rozpocząć tę procedurę, należy pobrać i zainstalować programy CAD nano two i Autodesk Maya 2012.

Zgodnie z instrukcjami na http slash slash cad nano. org, interfejs projektowy CAD nano w programie Maya składa się z trzech paneli. Górny panel to widok kratownicy, w którym kształt jest początkowo obrysowany.

Ten panel umożliwia wykonywanie operacji na poziomie podwójnej helisy i zapewnia widok przekroju kształtu. Dolny panel to panel edycji, umożliwiający wykonywanie pojedynczych działań na poziomie podstawowym. Prawy panel to wygenerowany w czasie rzeczywistym model 3D kształtu w czasie rzeczywistym.

Kliknij ikonę plastra miodu, aby powiększyć, powiększyć i pomniejszyć kratę. W górnym panelu można to zrobić za pomocą myszy. Przewiń odpowiednio w górę i w dół.

Aby rozpocząć, narysuj sekcję o żądanym kształcie na lewym panelu. Każdy okrąg reprezentuje podwójną DN, helisę, aby wybrać helisy, które budują kształt, po prostu kliknij lewym przyciskiem myszy na ich środek. Kontynuuj helisę po helisie, aż cały kształt zostanie obrysowany.

Alternatywnie kształt można narysować, naciskając lewy przycisk myszy i ciągłąc kontur kształtów. Obserwuj dolny panel. Każda helisa jest reprezentowana przez dwa rzędy kwadratów.

Rzędy to dwa pasma podwójnej helisy. Ponieważ każdy kwadrat reprezentuje podstawę, pomarańczowy pionowy pasek określa, gdzie odbywają się działania edycyjne wzdłuż helisy. Pozycja bazowa wzdłuż siatki jest wyświetlana jako liczba nad pomarańczowym paskiem.

Domyślna długość struktury helisy to 42 podstawy. Długość można zwiększyć, klikając jedną z ikon szarych strzałek w prawym górnym rogu panelu edycji i wybierając długość przedłużenia. Aby wykreślić rzeczywistą ścieżkę pasma rusztowania w całym kształcie, naciśnij przycisk myszy.

Zacznij od pierwszej helisy i przechodź w sposób ciągły przez wszystkie helisy w tej samej kolejności, w jakiej zostały początkowo wybrane. Narysuj prostokąt wokół wszystkich skrajnych lewych krawędzi ścieżki szkieletu. Wydłuż ścieżkę szkieletu, przeciągając wybrane krawędzie jako grupę na lewą stronę siatki.

Po powtórzeniu tego procesu, aż ścieżka zostanie odpowiednio wydłużona i zidentyfikowaniu ikon mostu zgodnie z opisem w napisanym tekście, przygotuj się do utworzenia krzyżówek, aby utworzyć skrzyżowania. Kliknij lewym przyciskiem myszy wybraną ikonę mostu. Zostanie wygenerowane skrzyżowanie rusztowania, co oznacza, że rusztowanie przecina się w tym momencie od helisy do helisy.

Powtarzaj ten proces, aż rusztowanie przejdzie przez wszystkie helisy i utworzy zamkniętą pętlę, która obejmuje cały kształt, nie pozostawiając żadnych obszarów odizolowanych od reszty tego kształtu. Opisywany robot otwiera się w odpowiedzi na zdefiniowany bodziec biologiczny, aby odsłonić swój ładunek. Otwieranie odbywa się w sposób muszlowy z dwiema połówkami obracającymi się wokół dwóch osi.

Osie są utworzone przez skrzyżowania między helisami 29 i 30 oraz 61 i zerem, które są jedynymi skrzyżowaniami między tymi połówkami i są umieszczone tylko w lewej krawędzi siatki lub w jej pobliżu. Prawa krawędź będzie zawierać pasma chodu. Usuń istniejące skrzyżowanie między helisami 29 i 30.

Aby wymazać skrzyżowanie, kliknij punkt zakrętu w dowolnym pasmie. Pozostawia to nacięcie w obu pasmach w miejscu, w którym kiedyś znajdowała się zwrotnica. Aby zszyć nicki, naciśnij shift i kliknij każdy nick, utwórz nowe skrzyżowanie między helisami 29 i 30 jak najbliżej lewej krawędzi siatki.

Następnie utwórz nową zwrotnicę między helisami 61 i zerem jak najbliżej lewej krawędzi siatki, zdefiniuj cztery miejsca załadunku skierowane w stronę wewnętrznej strony robota. Miejsca załadunku będą rozgałęziać się od Helisów 3, 27, 34 i 58. Dla każdego miejsca w górnym panelu kliknij helisę bezpośrednio przylegającą do tych helis, która jest skierowana w stronę wewnętrzną.

Spowoduje to dodanie helis do siatki w dolnym panelu. Nie klikaj jeszcze ponownie tych zszywek, aby dodawać i edytować zszywki. Najpierw kliknij opcję Automatyczne zszywanie.

Oprogramowanie automatycznie doda sekwencje zszywek w różnych kolorach. Zwróć uwagę, że zszywki zostały dodane do kształtu 3D w prawym panelu. Kolory zszywek są spójne dla dolnego i prawego panelu.

Ponadto w lewym dolnym rogu interfejsu znajduje się wskaźnik, który wskazuje, że zszywki nie mogą być zbyt długie, zbyt krótkie ani okrągłe, aby automatycznie edytować zszywki. Aby spełnić te kryteria, kliknij przycisk automatycznego podziału, otworzy się okno dialogowe z prośbą o podanie parametrów zdefiniowanych przez użytkownika dla tej akcji, użyj parametrów domyślnych i kliknij przycisk OK. Oprogramowanie złamie zszywki zgodnie z tymi parametrami najlepiej jak potrafi.

Wymaż wszystkie skrzyżowania zszywek między helisami 29 i 30 oraz 61 i zerem, aby umożliwić rozdzielenie tych helis i otwarcie robota. Wymazywanie krzyżujących się zszywek będzie wymagało ręcznej edycji w celu poprawienia zszywek, które w wyniku tej czynności stają się zbyt krótkie lub nieracjonalne. Aby zrobić to poprawnie, postępuj zgodnie z instrukcjami w zwie protokołu tekstowego, dwóch zszywek na Helix 29, naciskając Shift i klikając nacięcie między nimi.

Podobnie wygląda na to, że trzy zszywki na strand 30 do jednej zszywki, zszywki można ręcznie przedłużyć lub skrócić, klikając krawędź i przeciągając ją zgodnie z potrzebami. Uważaj, aby nie zaokrąglić żadnej zszywki. Powtórz ten proces dla HELOC zero i 61 i ręcznie edytuj wszystkie zszywki w każdej helisie.

Zlokalizuj zszywki, które są narysowane grubą linią, co oznacza, że wymagają dalszej edycji. Zbadaj każdy z nich i popraw go w razie potrzeby. Na przykład zszywki, które są zbyt krótkie, można wymazać lub przedłużyć, jeśli to możliwe.

Po drugie, kliknij helisy miejsca wczytywania w górnym panelu i wydłuż powstałe fragmenty pasma rusztowania w dolnym panelu, klikając krawędź i przeciągając ją zgodnie z potrzebami. Ręcznie dodaj zszywki do tych fragmentów rusztowania, umieszczając pomarańczowy pionowy pasek w żądanej pozycji Wzdłuż rusztowania, przechodząc przez helisy prowadzące na lewym panelu, przytrzymując Shift i klikając. Spowoduje to dodanie prekursora zszywek na każdej helisie.

Rozszerz również prekursory zszywek na pełną długość Klikając i przeciągając, zlokalizuj czerwone ikony mostu oznaczające głośne punkty skrzyżowania między pasmem prowadzącym a obudową. Wybierz najdogodniejszą lokalizację do wprowadzenia skrzyżowania i kliknij ikonę mostu. Dogodna lokalizacja wymaga minimalnej edycji istniejących zszywek w obudowie.

W spirali prowadzącej usuń część zszywki, która nie jest częścią miejsca załadunku, i skróć część uczestniczącą do żądanej długości. Pożądana długość powinna zapewniać zarówno specyfikę załadunku różnych rodzajów ładunków, jak i wytrzymałość wiązania. Zazwyczaj 18-metrowy ogon powinien być w porządku.

Upewnij się, że zszywka pozostaje narysowana cienką linią. W przeciwnym razie edytuj, aż znajdzie się w obudowie. W razie potrzeby zmodyfikuj zmienione zszywki.

Wymaż prowadnicę, pozostawiając tylko przedłużenie zszywki. Powtórz te kroki dla wszystkich miejsc ładowania, aby zaprojektować pasma chodu. Najpierw zlokalizuj odpowiednie pozycje dla pasm chodu.

Będą to zszywki na helisach 29, 30, 61 i zero. Na przykład zbadaj obszar chodu od 29 do 30. Po prawej stronie siatki znajdują się wygodne pasma zszywek, flankujące helisy 29 i 30, które można wykorzystać jako pasma bramowe.

Zwróć uwagę, że są one zwrócone w przeciwnych kierunkach. Kliknij krawędź jednego z potencjalnych pasm chodu, aby wysunąć je poza kształt. Jeśli krawędź leży nad skrzyżowaniem rusztowania, wybór można uprościć, upewniając się, że można wybrać tylko zszywki.

Klikając rusztowanie na pasku narzędzi do wyboru w prawym górnym rogu interfejsu, rozciągnij obie zszywki, aby utworzyć pasma bramki. Edytuj zszywki. Jeśli to rozszerzenie tego wymaga, powtórz to dla pasm bramek helis zero i 61.

Aby wybrać sekwencję rusztowania, kliknij narzędzie wyszukiwania. Umieść kursor w dowolnym miejscu na sile rusztowania i kliknij otworzy się okno dialogowe z prośbą o wybranie źródła DNA rusztowania W oknie dialogowym kliknij M 13 MP 18. Zwróć uwagę, że wybrana sekwencja DNA została dodana do rusztowania i pasm zszywek w dolnym panelu.

Na koniec wyeksportuj sekwencję zszywania jako arkusz kalkulacyjny, klikając przycisk eksportu na górnym pasku narzędzi i wybierając nazwę pliku docelowego dla listy zszywek. Kliknij Zapisz. Ten film pokazał krok po kroku proces projektowania nanorobota origami DNA.

Przekrój kształtu został tutaj po raz pierwszy zarysowany. Po konspekcie nastąpiła automatyczna edycja fragmentów pasma rusztowania i ukończenie całej ścieżki rusztowania. Pokazany tutaj jest ogólny widok dolnego i prawego panelu, pokazujący, jak model 3D zmienia się w czasie rzeczywistym wraz z działaniami edycyjnymi.

Pasma zszywek zostały dodane automatycznie, co można zobaczyć w schemacie po akcji automatycznego zszywania. Na tym obrazie kolory zszywek w dolnym i prawym panelu są spójne. Pasma zszywek zostały następnie zerwane zgodnie z parametrami zdefiniowanymi przez użytkownika, jak pokazano w schemacie po uruchomieniu automatycznego hamowania.

Następnie pasma zszywek były ręcznie edytowane, aby dostosować zszywki do pożądanej funkcji urządzenia. Cała luka między Helisami 29 i 30 pokazuje, że w tym schemacie nie ma żadnych krzyżujących się elementów. Po ręcznej edycji pokazany jest widok zszywek w miejscu ładowania, jak widać w dolnym panelu.

Po usunięciu prowadnic HELOC, które nie są już potrzebne, ten obraz pokazuje przedłużenie dwóch zszywek, które będą używane jako pasma GA z HELOC 29 i 30. Zwróć uwagę, że dwa pasma są skierowane w przeciwnych kierunkach, co jest obowiązkowe do tworzenia dupleksu chodu. Jest to obraz TEM końcowego modelu zaprojektowanego w tej procedurze.

Próbka jest barwiona formatem pisuaru i obrazowana w transmisyjnym mikroskopie elektronowym GL dokładnie tak, jak opisano w poprzednich raportach autorów. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zaprojektować robota z origami DNA do dowolnego zastosowania.