Toehold zprostředkovaný posun vlákna - Toehold mediated strand displacement - Wikipedia

Posunutí vlákna zprostředkovaného špičkou (TMSD) je molekulární nástroj bez enzymů k výměně jednoho řetězce DNA nebo RNA (výstup) s jiným vláknem (vstup). Je založen na hybridizaci dvou komplementárních řetězců DNA nebo RNA prostřednictvím párování bází Watson-Crick (A-T / U a C-G) a využívá proces zvaný migrace poboček[1]. Ačkoli migrace poboček je známo vědecké komunitě od 70. let, TMSD byla zavedena do oblasti DNA nanotechnologií až v roce 2000, kdy Yurke et al. byl první, kdo využil výhody TMSD[1][2]. Použil tuto techniku ​​k otevření a zavření sady pinzety DNA vyrobené ze dvou šroubovic DNA pomocí pomocného řetězce DNA jako paliva[1][3]. Od svého prvního použití byla technika upravena pro konstrukci autonomních molekulárních motorů, katalytických zesilovačů, přeprogramovatelných nanostruktur DNA a molekulární logické brány[3][4]. Rovněž se používá ve spojení s RNA k výrobě kineticky kontrolovaných ribosenzorů[5]. TMSD začíná dvojvláknovým komplexem DNA složeným z původního vlákna a protektorního vlákna[2]. Původní vlákno má převislou oblast tzv. „Špička“, která je komplementární se třetím vláknem DNA označovaným jako „vlákno napadající“. Napadající vlákno je sekvence jednořetězcová DNA (ssDNA), která je komplementární k původnímu řetězci[3][2]. Oblasti špičky iniciují proces TMSD tím, že umožňují doplňujícímu se invaznímu vláknu hybridizovat s původním vláknem a vytváří komplex DNA složený ze tří řetězců DNA[3][6]. Tento počáteční endotermický krok omezuje rychlost[1] a lze jej vyladit změnou síly (délky a složení sekvence, např. prameny bohaté na G-C nebo A-T) oblasti špičky[3]. Schopnost vyladit rychlost posunu vlákna v rozsahu 6 řádů generuje páteř této techniky a umožňuje kinetickou kontrolu zařízení DNA nebo RNA[4]. Poté, co došlo k navázání napadajícího vlákna a původního vlákna, migrace poboček napadající domény pak umožňuje přemístění počátečního hybridizovaného řetězce (protektorního řetězce)[1]. Ochranný řetězec může mít svůj vlastní jedinečný prst a může se proto proměnit v samotný invazivní řetězec, který zahájí kaskáda posunutí vlákna[2][4][7]. Celý proces je energeticky upřednostňován a přestože může dojít k reverzní reakci, jeho rychlost je až o 6 řádů pomalejší[4]. Další kontrolu nad systémem přemisťování pramenů zprostředkovaných prstem lze zavést pomocí sekvestrace prstů[4][8][9].

A trochu jiná varianta posunutí vlákna byl také zaveden za použití polymerázy vytěsňující řetězec.[10][11] Na rozdíl od TMSD používala polymerázový enzym jako zdroj energie a označuje se jako vytěsňování pramenů na bázi polymerázy.[11]

Sekvestrace špičky

Sekvestrace špičky je technika „maskování“ oblasti špičky, čímž se zpřístupní.[4][3]. Existuje několik způsobů, jak to udělat, ale nejběžnější přístupy hybridizují špičku s doplňkovým řetězcem[7] nebo vytvořením oblasti špičky tak, aby vytvořila a vlásenka[12]. Maskování a demaskování domén špičky spolu se schopností přesně řídit kinetiku reakce činí přemístění pramenů zprostředkovaným špičkou cenným nástrojem v oblasti DNA nanotechnologie[4]Kromě toho jsou biosenzory založené na reakci posunutí vlákna zprostředkované prstem užitečné při detekci cílů DNA u jedné molekuly a diskriminaci SNP[13].

Reference

  1. ^ A b C d E Yurke, Bernard (2000). "Molekulární stroj poháněný DNA vyrobený z DNA". Příroda. 406 (6796): 605–8. doi:10.1038/35020524. PMID  10949296.
  2. ^ A b C d Guo, Yijun; Wei, Bing; Xiao, Shiyan; Yao, Dongbao; Li, Hui; Xu, Huaguo; Song, Tingjie; Li, Xiang; Liang, Haojun (2017). „Nedávný pokrok v molekulárních strojích založený na reakci posunutí vlákna zprostředkované prstem“. Kvantitativní biologie. 5 (1): 25–41. doi:10.1007 / s40484-017-0097-2.
  3. ^ A b C d E F Zhang, David Yu; Seelig, Georg (2011). „Dynamická nanotechnologie DNA využívající reakce vytěsnění vlákna“. Přírodní chemie. 3 (2): 103–13. doi:10,1038 / nchem.957. PMID  21258382.
  4. ^ A b C d E F G Zhang, David Yu; Winfree, Erik (2009). "Řízení kinetiky vytěsňování řetězce DNA pomocí výměny prstů" (PDF). Journal of the American Chemical Society. 131 (47): 17303–17314. doi:10.1021 / ja906987s. PMID  19894722.
  5. ^ Burke, Cassandra R; Sparkman-Yager, David; Carothers, James M. „Vícestavový design kineticky řízených ribosensorů aptameru RNA“ (PDF). bioRxiv. bioRxiv. Citováno 30. října 2018.
  6. ^ Yurke, Bernard; Millis, Allen P (2003). "Využití DNA k napájení nanostruktur". Genetické programování a vyvíjející se stroje. 4 (2): 111–122. doi:10.1023 / A: 1023928811651.
  7. ^ A b Zhang, David Yu (2007). „Inženýrské reakce a sítě řízené entropií katalyzované DNA“ (PDF). Věda. 318 (5853): 1121–1125. doi:10.1126 / science.1148532. PMID  18006742.
  8. ^ Eshra, A .; Shah, S .; Song, T .; Reif, J. (2019). „Obnovitelné logické obvody založené na vlásenkách“. Transakce IEEE na nanotechnologii. 18: 252–259. arXiv:1704.06371. doi:10.1109 / TNANO.2019.2896189. ISSN  1536-125X.
  9. ^ Garg, Sudhanshu; Shah, Shalin; Bui, Hieu; Song, Tianqi; Mokhtar, Reem; Reif, John (2018). „Obnovitelné obvody DNA reagující na čas“. Malý. 14 (33): 1801470. doi:10,1002 / smll.201801470. ISSN  1613-6829. PMID  30022600.
  10. ^ Shah, Shalin; Wee, Jasmine; Song, Tianqi; Ceze, Luis; Strauss, Karin; Chen, Yuan-Jyue; Reif, John (2020-05-27). „Použití polymerázy nahrazující prameny k programování sítí chemických reakcí“. Journal of the American Chemical Society. 142 (21): 9587–9593. doi:10.1021 / jacs.0c02240. ISSN  0002-7863.
  11. ^ A b Shah, Shalin; Song, Tianqi; Song, Xin; Yang, Ming; Reif, John (2019). Thachuk, Chris; Liu, Yan (eds.). „Implementace libovolných CRN využívajících polymerázu vytlačující prameny“. Výpočet DNA a molekulární programování. Přednášky z informatiky. Cham: Springer International Publishing: 21–36. doi:10.1007/978-3-030-26807-7_2. ISBN  978-3-030-26807-7.
  12. ^ Green, Simon J; Lubrich, Daniel; Turberfield, Andrew J (2006). „Vlásenky DNA: palivo pro autonomní zařízení DNA“. Biofyzikální deník. 91 (8): 2966–2975. CiteSeerX  10.1.1.601.6261. doi:10.1529 / biophysj.106.084681. PMC  1578469. PMID  16861269.
  13. ^ Sapkota, K .; et al. (2019). „Jednostupňová detekce Femtomoles DNA na základě FRET“. Senzory. 19 (16): 3495. doi:10,3390 / s19163495.