Dielectrophoretic trapping of 3D-DNA origamis

Abstract

DNA-origamilla tarkoitetaan järjestelmää, jossa yksijuosteinen DNA-molekyyli on taiteltu tiettyyn ennaltamäärättyyn muotoon. Haluttua muotoa aproksimoidaan liitämällä yhteen samansuuntaisia DNA-kierteitä, joiden läpi kulkee koko rakenteen matkalta erillinen scaffoldjuoste. Tämä juoste luo lisää linkkejä kierteiden välille ja liittää niiden irtonaiset päät yhteen. Rakennetta koossapitävien liitosjuosteiden (staple strands) avulla scaffold-juosteen taittumista pystytään ohjaamaan ja luomaan vastakkaissuuntaisista DNA-kierteistä koostuva kaksiulotteinen origami. Kolmiulotteinen origami muodostetaan taivuttamalla edellämainittua litteää, kaksiulotteista origamia siten, että se muodostaa itsensä kanssa kennomaisen hilarakenteen, jota koossapitämään lisätään kierteiden välille liitosjuosteita. Tätä perusrakennetta muokkaamalla voidaan tämän jälkeen saada aikaan haluttu kolmiulotteinen muoto origamille. Origamien ja muiden DNA-rakenteiden suunnitteluun käytetään tähän tarkoitukseen varta vasten tehtyjä tietokoneohjelmia, jolloin pystytään helposti luomaan oikea sekvenssi juosteille. Dielektroforeesissa polarisoituva kappale, joka voi olla joko neutraali tai varattu, liikkuu epähomogeenisessa sähkökentässä. Kappaleen vastakkaisille pinnoille indusoituu tällöin sähkökentän vaikutuksesta positiivinen ja negatiivinen varausjakauma, jotka vuorovaikuttavat sähkökentän kanssa ja saavat aikaan Coulombin lain mukaisen voiman. Koska dielektroforeesissa käytettävä sähkökenttä on epähomogeeninen, nämä voimat ovat erisuuruisia ja siten nettovoima on nollasta poikkeava aiheuttaen kappaleen liikkeen. Dielektroforeesia voidaan käyttää ”vangitsemaan” näytteen partikkeleita elektrodien väliin. Tämä onnistuu lisäämällä elektrodien ympärille näytepartikkeleita sisältävää liuosta ja kytkemällä niiden välille sähkökenttä. DNA:n tapauksessa käytetyn sähkökentän tulee olla AC-kenttä, sillä molekyylin negatiivisesta varauksesta johtuen kaikki molekyylit liikkuisivat muutoin positiiviselle elektrodille sen sijaan, että ne sijoittautuisivat keskelle elektrodien välillä olevaa aukkoa. Jos näytteen permittiivisyys on sopiva, partikkelit liikkuvat kohti elektrodien välissä keskellä sijaitsevaa sähkökentän maksimia ja jäävät paikalleen. Dielektroforeettisen voiman lisäksi molekyylien liikkeeseen näyteliuoksessa vaikuttavat sekä termiset voimat että satunnainen Brownin liike, joka pahimmillaan voi jo itsessään olla dielektroforeettista voimaa suurempi ja estää vangitsemisen. Tästä johtuen on erityisen tärkeää, että vangittaville partikkeleille Brownin satunnaisvoima on tarpeeksi pieni ja että käytetty näyteliuos on johtavuusominaisuuksiltaan sopiva estääkseen lämpökonvektioiden vaikutukset vangitsemiseen. DNA-rakenteiden tapauksessa dielektroforeettista vangitsemista voidaan hyödyntää esimerkiksi mitattaessa DNA:n sähkönjohtavuutta, sillä tällä menetelmällä voidaan suhteellisen yksinkertaisesti eristää yksittäinen partikkeli tutkittavaksi.