三目並べ：DNA構造の再構成の制御されたプロセスのデモンストレーション

科学者はDNAを使用して三目並べのパーティーを行いました。 面白そうに聞こえますが、これは氷山の一角に過ぎず、科学者自身からのユーモアのタッチに揺さぶられました。 実際、今日の研究では、複雑なタスクを一緒に実行できるDNAナノ構造の相互作用の動態を監視する新しい方法が明らかになりました。 システムの主要な部分としてDNAを使用するのは簡単な作業ではありませんが、これは心がアイデアに満ちている科学者を止めることではなく、熱意の心です。 そして、研究で示されているように、彼らはどのようにして与えられたパターンに従ってDNAブロックを移動させることができましたか、そしてこの技術の将来の見通しは何ですか？ 回答については、研究グループの報告に目を向けましょう。 行こう



研究の基礎



この研究では、科学者たちはタイルのDNAを移動する新しい手法を実証しました。これは、サポートジョイントとブランチオフセットの原理に基づいています。 これらの原則は、DNA鎖の標準的な変位に似ていますが、より大きなオブジェクト、より正確にはDNA構造を対象としています。



この技術により、DNAタイルの反応速度を制御し、複数構造システム内で望ましい一連の反応を実現することが可能になりました。 三目並べのゲームは楽しみのために行われたのではなく、タイルのDNAを任意の順序と位置にシフトする可能性を示すために行われました。



生体系のメカニズムを理解するには、その主要な構成要素を考慮する必要がありますが、その中でも分子構造は最も重要なものの1つです。 キャリア分子としてのDNAは、自己組織化ナノ構造の研究と作成に最適な材料の1つと考えられています。



DNAに基づく手法の中で、DNAオリガミ手法は近年ますます人気が高まっており、任意の形状や構成のDNAから構造を作成できます。



単一のDNA折り紙のコンポーネントは、好きなようにねじることができますが、これまでは、より大きく、したがってより複雑な構造のコンポーネントとして、複数のDNA折り紙間の制御された相互作用を達成することはできませんでした。 現時点では、いくつかのDNAオリガミを接続/切断することしかできませんでした。



今日の研究では、科学者は新しいDNA折り紙の相互作用技術を実証しています。 DNAオリガミタイルが埋め込まれた構造があり、一般的な配列から別のタイルを置き換え、タイルのエッジ（支点/接続ポイント）のバインディングドメイン*により構造に接続します 。

結合/結合ドメイン* -タンパク質鎖の一部であるが、それとは別に機能することができるタンパク質ドメイン。

例として、科学者は3つの再構成オプションを作成しました：競合、順次、および協力。 これらの「動き」の組み合わせ（段階的な再構成）は、各プレイヤーが264x264 nmのフィールド上で任意の順序で移動できる9つの固有のDNA折り紙を持っているとき、三目並べゲームとして実証されました。



DNAタイル形成





DNAタイル構造。



以前は、この研究を実施する前に、科学者は個々のDNAタイルを作成する技術を開発しました。 2つの端の各タイルには11個のブラケットがあり、それぞれがスタッキングに参加しています。



上の画像は、4つのタイル（左上）の配列を示しています。各タイルは、ブラケットを介して隣接するタイルに接続されています。



研究者は、多数のタイルでより大きな配列を作成するためのいくつかの可能なオプションを検討しました。 このため、理論的には、タイル間の接続が十分に弱いことが必要でした。 これにより、彼女はアレイを壊して再構築できます。 ただし、タイル間の接続が永続的である必要がある温度でも、再構成可能なマルチタイルアレイを作成できることが観察により示されています。





タイルの再構成。



この現象には2つの可能な説明があります。 第一に、結合の形成は、プロセス可逆性の温度範囲に落ち込みながら、十分に高い温度で起こります。 2番目-二量体と三量体は置換反応を受けるため、単量体が放出されると2x2の配列が形成されます。 また、三量体のコピーを2つ作成し、2x2の配列を形成して二量体を放出することもできます。



変位反応中にタイルの自発的な切断がない場合、カイネティックトラップはありません。これにより、タイルは2x2構成で収集されます。



1つのDNA折り紙が、構造自体の中に自発的に結合することなく、一般的な構造内で別のDNA折り紙が変位するかどうかを確認する必要がありました。 つまり、DNAオリガミが主導権を発揮するかどうか。 このために、2つの実験が行われました。





実際の経験：2つのDNAタイル（正方形）+ 1つのDNA三角形。共通の構造を形成する必要があります。



最初の実験では、2つのDNAタイルと1つのDNA三角形が参加しました;実験自体は一定の温度で実行されました。 構造的には、三角形は正方形と同じ接続ドメインを持つか、隣接する正方形を補完する追加の接続ドメインを持つことができます。



実験の最初のバージョンでは、2つの正方形が互いに接続されたままで、三角形が正方形の1つに接続されています。 第２の実施形態では、いわば、三角形が正方形の１つを置き換え、それを変位させた。 これは、実際には、複雑なDNA折り紙を変更できることを示しています。 しかし今、私たちはこのプロセスが科学者によって制御されており、自然の力のために単独で発生しないことを確認する必要があります。





イメージNo. 1



DNA鎖の置換反応について話すと、「自由な」相補的ドメインに接続する結合ドメインを持つ鎖があります。 そのため、チェーンが接続ポイント（ 1a ）を移動するときに、ブランチの移行プロセスが発生する2本鎖構造になります。 同様のプロセスが、タイル（ 1bおよび1c ）のDNA置換反応で進行します。



画像1cから、各DNAタイルがブレースで接続された4つの二等辺三角形で構成されていることがわかります。



三目並べのゲームについて：より便利な視覚化のために、参加者の移動と再構成のプロセスは、2つの異なる色のブラケットによって十字（X）とつま先（O）でマークされました。 画像No. 1をよく見てください。X（黒）とO（白）がタイルに表示されています。



タイルDNA置換反応の速度論



簡単に言えば、プロセスの動力学を制御するには、一部の反応を高速化し、他の反応を低速化する必要があります。 このようにして、タイルの結合、切断、再構成を実現できます。 ただし、これを行うことができる動力学の範囲を決定する必要があります。 このために、科学者は、いわば結合の強さの異なる接続ポイント（タイル間の）を作成しました。



接続しているブランチ移行ドメインのステープルの数は、すべてのタイルで同じでした。 しかし、ここでは、参照のドメイン（タイ）ポイントドメインは0から4（ 1d ）まで変化しました。



実験には、メインタイル（4つすべての接続ポイントが「アクティブ」）とアクセサリタイル（接続ポイントの数が0から4まで変化）が含まれていました。 ブランチマイグレーションドメインの最後に、2組のステープルがフルオロフォアとクエンチャーで修飾されました。 アクセサリタイルがメインタイルと接触したままになると、蛍光体が消え、蛍光シグナルが低下します。 ただし、アクセサリタイル（ダンパー付き）が切断されると、蛍光信号が増幅されます。 したがって、プロセスがどのように進行するかを判断することが可能になります。



1日後、観測から最初の結論を引き出すことができました。 科学者は、接続ブラケットが0個のアクセサリタイルの蛍光軌跡は実質的に変化していないことに注目しています。 接続リブの長さは同じであるが、接続点の数が多いタイルは、はるかに速い速度論を示すことにも留意された。 1ヌクレオチドと2ヌクレオチドのステープルとの接続点が非常に異なる飽和率（飽和）を示しているのは興味深いです。



画像1eは、動力学の数値推定に使用される数学モデルを示しています。 科学者自身は、このモデルは非常に単純であり、DNA鎖置換反応の反応速度を評価するためによく使用されるため、DNAタイルにも適していると言います。



（ 1f ）シミュレーション（反応のシミュレーション）と実験の比較分析により、DNAタイルの組換えプロセスに影響するパラメーターを決定することができました。



まず、科学者は、タイルの結合速度がDNA鎖の結合速度よりも10〜100倍（結合タイルの端の長さによる）遅いことに注目しています。 タイルとスレッドのディスプレイスメントプロセスの共通点は、接続ポイントのヌクレオチド数が増加すると、減衰率が指数関数的に減少することです。 さらに、この速度は、タイルのほうがDNA鎖の40分の1です。 DNAタイルの最大合計変位（反応率）は4.5x10 ⁵ M ^-1 * s ^-1でした。 濃度が低い場合（<50 nM）、二分子結合の速度はタイルの変位速度を制限します。 濃度が50ナノモルを超える場合、単分子変位の速度によってタイルの変位速度が制限されます。



その後、科学者は3つの主なタイプの再構成を説明するいくつかの実験を実施しました：競合、順次、および協調。 それでは、それぞれの実験の結果をさらに詳しく見ていきましょう。



競争力のある再構成



競争力のある再構成を達成するために、科学者は、信号集中に応じてシグモイド関数を使用することを提案し、それにより情報に基づいた再構成システムを取得しました。 この関数は、DNA鎖変位プロセスのデジタルロジック計算の重要な要素であるため、DNAタイルにも適用できます。





イメージNo. 2



シグモイド関数の「仕事」を実証するために、科学者は同じ従属タイルによって活性化される2つの競合するタイル変位反応を作成しました。 速度の違い（ 2a ）。



アクセサリタイルでは、接続ポイントは4つの2ヌクレオチドステープルです。 適切なリンクポイントと4つの1ヌクレオチドステープルで接続することが予想されます。 アクセサリタイルの反応速度は18倍異なります。 アクセサリタイルの濃度が2 nM未満の場合、より速い反応（ 2b ）がトリガーされました。 濃度が2 nMを超える場合、より遅い反応が開始されました。



24時間後、より速い反応の結果は線形に増加し、より遅い反応の結果はシグモイド関数を示したことがわかりました（ 2c ）。



順次再構成



競争力のある再構成に続くことは一貫していた。 このタイプははるかに複雑ですが、もちろんすべてがうまくいかない限り、プロセスをより細かく制御できます。



そのため、科学者は、最初のサブタイルが別のタイルを置き換える2x2アレイを作成し、以前使用していた接続ポイントを解放しました。 次に、2タイルの2番目の下位構造が配列から2タイルをシフトします。 カスケード変位の一種（ 3a ）。





イメージNo. 3



科学者たちは、タイルの角での変位が遅く、タイルの端の残りの部分よりも約100倍遅いことに気付きました。 したがって、より複雑な再構成手順では、このような変位の中間状態を考慮する必要があります。



画像3bでは、シーケンシャルリコンフィギュレーション（オレンジカーブ）による実験の非常に成功した結果を見ることができます。



そして今、研究者からのもう少しの創造性。 上記の画像（ 3b ）に注意してください。最初の従属タイルには反応したが、2番目のタイルには反応しなかった配列は、最終的には「悲しい顔」のように見えます。 しかし、両方の下位タイルとの接続が成功したアレイは、「笑顔」のように見えます。 そしてあなたは言う、科学者にはユーモアのセンスがない。



科学者によると、反応参加者の構造が複雑になるほど、再構成プロセス自体も複雑になりますが、その結果は興味深いものになります。 2種類の参加者（2x2アレイと2タイル構造）を使用すると、48時間の観察後の変位効率に関して、83.3±9.8％と90.5±6.1％の結果が示されました。 言い換えれば、置換反応は優れています。 いくつかのエラーがありますが、重要ではありません。



順次再構成の実験により、通信ポイントのシーケンスと反応の「カスケード」の基本原理を理解できるだけでなく、新しい機能も実証されました。 システムは、実行が必要な命令とこれに使用可能なものを示す複数の信号に応答できます。 この信号は、2種類の下位構造の形で実験に提示されます。 最初の従属構造が2番目よりも早くベースと接触した場合でも、構造には予想される再構成が表示されます。



これらのプロセスの大部分は、単独で進行します。 科学者はそれらをわずかに制御するだけですが、完全には介入しません。 実験の次のステップは、再構成プロセスの制御を強化し、このプロセスをプログラミングする可能性を調査することです。



協調的再構成



この実験では、2x2アレイの2つのエッジ（ 3s ）に接続された2つのアクセサリタイルがありました。 タイルが1つしかない場合は、配列の中心に移動する必要があります。 さらに、2番目のタイルが存在しないため、プロセスを逆にして、アレイからアクセサリタイルを繰り返し切断することができます。 両方の下位タイルが存在する場合、分岐移行の2つのプロセスがすぐに発生し、アレイの中心に収束します。その結果、協調変位が得られます。



蛍光の経験から、従属タイルが1つしかない場合、蛍光信号は非常に弱いが、両方のタイルが存在する場合は増幅されることが示されました（ 3d ：青と緑の曲線-弱い信号、黄色-強い信号）。



前の実験と同様に、1つの従属タイルとのみ相互作用する配列は「悲しい顔」としてマークされ、配列と両方のタイルは「笑顔」でした。 さらに、後者は症例の68.0±7.7％で形成されました。



チックタックトー



そして最後に、「三目並べ」実験。 この実験では、3x3アレイを使用しました。これにより、任意の順序で9つのユニークなタイル変位反応が可能になります（ 4a ）。





イメージNo.4



この実験は、コーナータイルの変位、エッジタイルの変位、および中央タイルの変位という、いくつかのタイプの反応の組み合わせです。 隣接する各タイル間のアレイの周囲には、1つの接続ポイントがあり、合計で8つの接続ポイントがありました。 対応する接続​​ポイントを持つアクセサリタイルがコーナー近くのエッジタイルと接触している場合、そのうち4つがコーナータイルの変位に参加しました。 この時点で、ブランチはタイルの端の内側で90°の角度で移動し、以前にアレイに接続されていたコーナータイルが解放され、アレイ自体に統合されます（以前にエッジにあったときのアレイ内）。 他の4つのタイポイントは、エッジタイルの変位をアクティブにするために使用されました。



この実験で最も困難なことは、利用可能な通信ポイントの数が限られているため、中央のタイルの移動を開始することでした。 そのため、中央のタイルとすべての隣接タイルの間に4つのポイントが追加されました（ 4a ）。



観察は優れた結果を示しました。 すべてのサブタイルはアレイに埋め込まれ、科学者が計画したとおりに再構築されました。 配列内の変換率は、コーナータイルの変位で78.4±6.0％、エッジタイルの変位で52.8±6.0％、中央タイルの変位で52.8±6.0％でした。



そして、ゲーム自体に直接移動して、カスケードの形ですべてのタイプの反応を組み合わせます。 ゲームボードは3x3の配列で、すべてのタイルは「きれい」でした。つまり、どのような方法でもマークされていませんでした。



自然に2人いた各プレイヤーは、自由に「X」と「O」とマークされた9つの従属タイルを受け取りました。 このゲームでの動きは、24時間の間隔でこのタイルをテストチャンバーに追加することです（三目並べの長いバッチですよね）。





DNAタイルを使用した三目並べゲームのビデオデモ。



観察（ 4bおよび4c ）は、競技場がすべての動きに反応したことを示しました。つまり、プレーヤーからの指示に従って、再構成が進行しました（マークされたタイルを追加）。



全体の問題は、フィールドでのゲームの終了までに、それぞれ多くのアクセサリタイルが存在し、それらの自発的な変位の確率が増加することでした。 したがって、再構成の精度も低下しました。 ゲームの終わりまでに、この指標はわずか8.3±2.3％でした。 ただし、上記の画像からわかるように、結果はまだ達成されています。



研究と実験のニュアンスをより詳しく知るには、科学者のレポートとそれに追加された資料を調べることを強くお勧めします。



エピローグ



三目並べDNAタイルのゲームは楽しみのために行われたのではなく、DNAから構築されたナノ構造の要素の変位のプロセスを操作する能力を明らかにする非常に深刻な研究を実証する方法として行われました。



もちろん、最終的な再構成率に影響を与えるアクセサリータイルの数、反応の速度、変位の精度、可能な変位オプションの拡大、そしてもちろん、再構成可能なDNA構造の次元の増加など、まだ磨かれていないものがたくさんあります。



現在、多くの科学者は、すでに標準となっているプロセスを実行するための非常に非標準的かつ重要なメカニズムにますます注意を払っています。 情報の保存と処理、病気の診断と治療、生物学的システムを含む複雑なシステムの研究-これらのすべてのプロセスはDNAを使用して実行できます。この信じられないほど小さなオブジェクトは、私たちがまだ明らかにしなければならない信じられない特性と特性を隠しているからです。



ところで、Googleで「tic-tac-toe」クエリを入力すると、このゲームをプレイできることがわかります。 :)（私は誰がどのように知りませんが、これに気づいたことがありません）







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