形态控制水凝胶自组装

1、DNA-directedself-assemblyofshape-controlledhydrogels以DNA可编程的，序列特异性的“胶水”，形状控制水凝胶单位自组装成规定的结构。在这里，我们报告，使用的水凝胶立方体的边缘长度范围从30毫米到1毫米的聚合，展示组装跨尺度。在一个简单的一个锅搅拌反应，25个二聚体构建在平行的50个不同的水凝胶立方体物种，表现出高度复用的组装。使用水凝胶长方体显示面部特定DNA交、不同结构的水和搅拌系统实现界面。这些包括二聚体，延长链和水系统、开放的网络结构和二聚体，固定长度的链，在界面系统的路口和广场的形状，展示了装配系统的通用性。自组装是一种将小部件自组织成

2、更大结构的过程。最初开发作为一项工程分子化合物自组装的概念，已被用于制造结构的跨尺度，利用单体单元从纳米级到宏观尺寸。不同的技术已被开发用于中尺度（微米到毫米级）自组装使用磁力，亲水亲油平衡-，毛细管作用和合成化学的结合来控制装配式建筑。越来越多的复杂度的中尺度自组装面临着一个重要的挑战，即工程一大套正交特定的单体单元之间的相互作用的难度。这一挑战可以通过使用基因，生物信息载体，作为一个可编程的“胶水”，以指导中尺度单位的组装。DN/fe含四个碱基，其中每一个碱基对的互补形式的另一个根据一套规范的规则：胸腺喀呢和鸟喋吟与胞喀呢腺喋吟。通过简单配置这四个碱基的DNAff列在不同的组合，一大套的相

3、互作用可以被设计成互补DNAS之间的特异性杂交。核酸杂交技术已成功地应用于纳米技术领域，利用任意规定的几何结构和动态功能，生成各种复杂的合成基因/核酸结构。止匕外，通过共价或非共价键的相互作用，可以制成核酸链。DN岫被用来作为模板或胶水调和的荧光团，自组装蛋白质、无机纳米材料、碳纳米管、脂质囊泡甚至活细胞。最近，有报道称，短单链核酸探针附着在玻璃表面上，可以成功地捕捉到100毫米大小的水凝胶微球装饰与序列互补的探针。在这些过去的成功建设，我们地址的下一个挑战：充分利用DNA勺通用可编程的直接尺度对象的自组装成复杂的高阶结构的精确规定的结构和几何。作为我们工作的一部分来增加建筑和几何尺度DNAS

4、向装配，这里控制的复杂性，我们报告的DNAg配原理与加工技术组装尺度对象使用形控制单元相结合的水凝胶。这里的中心概念创新是DNA占贴到规定的表面的非球面性对象产生一个不对称的胶纹装饰。这些新的装配单元，结合DNA交分子的可编程性和微细形状的可控性，可以实现复杂的中尺度结构的可编程组件提供了一个强有力的平台。实施这一战略，一个重要的技术创新是必要的：我们发明了一种使用原位滚环扩增新策略（RCA产生并附上巨人DNA粘合水凝胶立方体表面。在这一技术创新的基础上，我们证明了巨大的脱氧核糖核酸链，但不短的核酸引物，诱导组装的水凝胶凝胶立方体的边缘长度跨尺度（30毫米至1毫米），和他们的结果在一个高度复用

5、的方式（25个正交二聚体对从50个不同的立方体在一个盆混合体）的自组装体。我们开发了一个长方体，显示巨大的DNAT程师水凝胶只在指定的脸的方法。使用这种技术，我们展示了装配，在水和界面系统，不同的结构：扩展或固定长度，开放网络的线性链，路口和22方结构。因此，我们建立了定向装配的形状控制的中尺度单位的一种很有前途的路线，以产生复杂的结构，复杂的几何和建筑控制。结果具有均匀的表面自组装DNA交凝胶。在第一部分的研究，我们开发了一个策略使用互补DN的子胶直接自组装水凝胶的立方体的棱长250毫米。组装这种水凝胶立方体携带短互补DNA!我们最初的尝试（36台币Poly-T链接其次是新台币20元互补序列

6、）不能诱导凝胶组装（图2C）。此故障可能是由于表面形貌的水凝胶，如通过扫描电子显微镜（扫描电子显微镜，图1）,和相对较小的大小和弱相互作用的短互补的核酸链显示。为了适应崎岖的水凝胶表面，我们制定了一项战略，以巨人单链DNAS胶表面装饰（图1A）。具体来说，在步骤1中，胺短的DNA!（棕色）的共腕PEGNHS单体（蓝色，3500兆瓦大）使用一个标准的步骤。在步骤2中，DNArPEG丙烯酸酯混合光交联聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA4000兆瓦）和0.5重量%的光引发剂，和暴露在紫外线下的光掩模250250平方毫米的孔。立方体的高度被控制使用2显微镜盖的玻璃幻灯片（250毫米的厚度）作为间隔。在

7、紫外线照射后，250250250毫米水凝胶立方体均匀地修改与短的核酸引物。在步骤3中，DN用I物与互补，环状DNA真板（由短的线性DNAcircligase函证产生），通过公布的程序称为rca57；引物扩增重复序列产生的圆形模板互补的一条长链。在本文中，我们称这个长单链脱氧核糖核酸产物巨脱氧核糖核酸。PEGDA0PreoursorsokitionHydfcgolcuibe图1|水凝胶立方体均匀大DNA胶改性制备。（一）用巨大的脱氧核糖核酸均匀地修饰水凝胶的制备过程的示意图。相对比（二），荧光（C+）和扫描电镜（三维，克）图像的水凝胶进行短的56个新台币的单链脱氧核糖核酸引物（乙）或扩增单链巨脱

8、氧核糖核酸（e）。在C和F的凝胶染色$丫8底前成像。刻度条，200毫米，在乙，丙，电子和法；规模吧，10毫米和G我们首先验证了巨人的DN腋功的生产通过在自由溶液中RC板应和玻璃幻灯片（补充图2A,琼脂糖凝胶电泳显示高分子量产品；合成补充图S2R荧光显微镜图像显示大膜像巨大的DNA形成补充图S2c扫描电镜图像表明，纤维就像巨大的DNAft璃幻灯片）。然后，我们制作了具有上述特征的水凝胶立方体，并用荧光染色法对其进行了表征。在短短的56新台币的水凝胶携带DNA引物比较（图1b,相位衬度成像；图1c,荧光成像，DNA1由SYB除染色），在37C3hRCAT增导致明显的DNAft色SYBRfe（图1E

9、,相位衬度成像；图1F,荧光成像）。由于核酸引物被栓在凝胶前体，它被预期，巨大的脱氧核糖核酸扩增，在水凝胶立方体的表面上和表面。这是符合我们的实验观察，只有在RCAK大，水凝胶立方体染色DN砍光染料和荧光显微镜下会出现（图1c,F）o我们注意到，作为RCA±程是扩散型，预计它将扩散在凝胶内的地区相对于凝胶表面有限公司。SEMK像在凝胶表面上是很重要的（图1d）和后（图1）RCAt大提供巨大的DNA进行扩增，在凝胶表面的直接证据。放大后，凝胶的最初凹凸不平的表面被纤维状结构均匀，减少表面粗糙度（SEM®像，图1）。总的来说，上述的实验表明，水凝胶的立方体表面都装饰着巨大的DN

10、Affi过RCA设计。接下来，我们展示了巨大的脱氧核糖核酸的组装。使用上面描述的过程，我们制作了250250250毫米的立方体承载巨大的DNAg码的水凝胶的串联重复序列互补（图2A）,和自组装是由一个0.5毫升的微管填充在温和的旋转组件缓冲混合这些水凝胶的立方体，使用管肩与一个固定的转速为18转/分（图2B,具体见方法）。可视化的组装结构，两种水凝胶的立方体进行互补的DNAff列的一个*被贴上红（fluoresbhte微球在512nm的激发和发射波长为554nm）或蓝色（激发的360nm和407nm的发射fluoresbrite微球的荧光微球，分别）。在管总的反应后，水凝胶的立方体被转移到一个

11、1.6-cm直径培养皿成像（图2B）。大团聚体进行互补的巨脱氧核糖核酸（图2,左，相位对比成像），右，荧光成像）。与此相反，水凝胶的立方体只带56新台币的短DNA引物扩增无RCW能同一组件的条件下产生的聚集体（图2C,左，右，相位衬度成像；荧光成像）。包括DN颂费黄色水凝胶立方体（即立方体包含黄色微球）在反应体系中没有改变的装配结果无论水凝胶块载有56NT短DNA引物（图2e,左）或水凝胶携带巨大的立方体（图2e,右）DNA止匕外，没有黄水凝胶的立方体，观察在组装的结构，确认该组件是由巨核酸的水凝胶立方体表面上。这个巨大的DNA赖性的组件是在DN僻解的实验进一步验证（图2F）:组装水凝胶立方体

12、进行互补巨人成为DN吩散处理后，酶，有望降低巨大的DNA&凝胶立方体表面。在以往的工作中，利用短的DNAS作为胶水，研究人员成功捕捉小的球形颗粒（直径100毫米）的表面上。然而，在我们的系统中，比较大的长方体状的颗粒（250毫米的边缘宽度）需要在强烈搅拌装配（破坏非特异性相互作用）的解决方案为基础的系统，从而更胶相互作用可能需要启用的组件。超过70%勺特异性结合，通过分析两种水凝胶立方体均匀承载相同或互补DNA交之间的绑定事件观察。巨人DNA旨导的水凝胶立方体结合进行不同温度条件下（4、25、37）。我们观察到特定的组件产量随温度下降（补充图S3）。然而，非特异性结合也大大增加在4c（

13、数据未显示）。Seescale$j*"IIIIIIIIIIIIUJIHillIUIIIIIIIllnIIIIIIIIIlhLIIIIIIllllIIHIIUIIIIIHIIIIlullII11II11111IIIIIIIIH11N11111IJ0CM0L2o：040_5&SU_7091mmS3）。在本文的其余部分的装配实验都是在室温下进行（补充图图2|水凝胶立方体均匀大DNA胶改性自组装。（一）巨大的脱氧核糖核酸分子的示意图。在红色和蓝色水凝胶立方体的表面上均匀地扩增出含有48个核甘酸的串联重复序列。互补的核酸序列间的杂交导致水凝胶立方体的组装。（b）水凝胶的方块被组装在一个

14、0.5ml管填充在温和的旋转组件的缓冲区，转移到一个1.6cm直径培养皿和成像显微镜下。详情见方法。（3）相位对比度和荧光显微镜图像的后组装系统，在水凝胶立方体进行了修改与短56新台币（3）或扩增的巨大的（3）的核酸链。水凝胶的立方体进行互补的DNA或*被贴上红色或蓝色的荧光微球，分别用SYBM染色。（一）红色和蓝色的水凝胶立方体进行互补的短（左）或巨（右）脱氧核糖核酸链失败（左）或成功（权利）组装成聚集体，在竞争的黄色水凝胶的立方体，没有被修改的存在。（f）聚集体组装的红色和蓝色的立方体进行互补DNAtR凝胶巨人分崩离析1h基线零DNase处理后（前左：DNase处理；DNA酶处理后的吧：）

15、。比例尺，500毫米的C,D,E和F（G-J）的聚集体，从红色和蓝色的立方体边长的水凝胶各种组装：（G）（H）30毫米，200毫米，500毫米（I）和（j）1mm在水凝胶表面上均匀扩增出巨大的脱氧核糖核酸。比例尺，1mm&主板；50毫米G的插图。我们下一个表明，互补的巨基因之间的相互作用是能够引导组装的水凝胶立方体与宽范围的边缘长度。立方体进行互补的DN颂*标记的红色或蓝色微球，分别。如上所述的组装反应。集料从水凝胶立方体与30,200边的长度观察，500毫米和1000毫米（图2G-J）。这些实验表明，互补的巨核酸之间的杂交是足够强的诱导组装的水凝胶立方体跨尺度。图3|多块二聚体自组装

16、水凝胶。（一）在五个独立的实验中的25个正交的二聚体复用自组装的示意图。（b）最后的组装结构由五个独立的实验被汇集到成像的培养皿中，和组装的具体结构是由一个白色的箭头指示。比例尺，1mm（一）原理图（左上角）描述了在复用自组装的25个二聚体所使用的水凝胶立方体的双层结构。核心立方体为100100100毫米和周边的立方体是300300300毫米。制造细节的方法。核心和外围水凝胶的立方体被贴上不同颜色的微球分别与五种颜色（红、蓝两两组合，黄色，黑色和紫色）生成25个不同的签名。示出了25个相应的二聚体的图像。（d）水凝胶立方二聚体显微镜下鉴定和量化为具体白（66±5%和特异性（18

17、77;7%结合的活动，N?5,*po0.05。互补DN的子杂交与对方在一个序列依赖性，有可能产生大量使用巨型DNA胶与正交序列特异性的相互作用。为了测试是否这样的DNA顺序的特异性，可以应用在我们的水凝胶立方体自组装系统，五十新台币24元的DNAff列设计生产25双正交异性相互作用（图3A;也看到了DNA序列的方法和补充表S1）。视觉上区分不同的立方体种体视显微镜下，彩色微珠被困在核心和外围部分的立方水凝胶（图3C,左上角），和5种颜色（红、蓝两两组合，黄色，黑色和紫色）生成25个不同的签名。制造，巨大的含DNA勺串联重复序列是用在水凝胶表面RCA反应如前所述放大。25种结构在水溶液体系中自组

18、装。为了避免形成大的聚集体，可以捕获微凝胶内从而阻碍特定组件的收益率的量化，为每个50水凝胶物种只有一个副本包含五个独立的实验（图3A）。大会进行反复轻度旋转搅拌在一个固定的转速18转/分，有力的握手每30分钟分裂的非特异性结合。组装结构，然后转移到一个成像和定量培养皿。25个预期的特定的二聚体结构均（图3RC）o总的来说，83的结构是在五个独立的实验分析：其中约66%勺二专其互补序列，而只有16嘛成二聚化对非特异性（图3d）。这些实验表明，大的核酸胶之间的相互作用是序列特异性和高度复用的组件可以实现使用我们的系统。据我们所知，该系统包括更具体的互动比所有报告的中尺度自组装工作。在面对特定的D

19、NA交凝胶的自组装。组装与控制体系结构而不是聚集体结构，制备水凝胶的长方体单元面对具体的巨大的DNA多饰。这个程序是在图4A所示。在步骤1-4,我们做一个双组分复合结构在一个大的立方体，立方体的体显示较小的DNA窗饰的垫块对其指定的侧面描述程序；在步骤5和步骤6,我们描述了用于装配的搅拌系统。（步骤1）150150150毫米的水凝胶垫立方体是由前驱体溶液含有20重量%勺PEGDA4kDa）和PEG（3.5kDa）丙烯酸酯单链DN闻I物利用光刻。150个150平方毫米的孔光掩模被用来控制垫立方体的截面形状；1显微镜盖玻片上（150毫米厚）被用来作为间隔控制垫立方体的高度。（步骤2）聚合试剂被冲走

20、了，巨大的DNA是通过RCAK应如前所述的产生。我们现在有150毫米的垫块阵列（绿色在图4A）均匀大DNA窗饰。（步骤3）使大立方体，我们添加了第二个方案，只含有20重量PEGDA4kDa）,包括它的250个250平方毫米的孔，第二光掩模。这光掩模与在步骤2中，这个光掩模覆盖每个垫块面积一半的垫块仔细对准（保护他们免受紫外曝光）。2显微镜盖的玻璃幻灯片（250毫米的厚度）被用来作为间隔物来控制身体的立方体的高度。（步骤4）随后的紫外线处理导致在聚合的250秒250250毫米的身体立方体。未反应的试剂被冲走了。在步骤4的最后，我们制作了一个立方体的数组：红色250毫米的立方体覆盖的绿色150毫米

21、垫立方体的一半，只有绿色150毫米垫立方体进行了修改与巨大的脱氧核糖核酸。因此，立方体复合材料只有在指定的面上有巨大的脱氧核糖核酸修饰，显示绿色垫。为了博览会的简单性，我们将这种复合结构的水凝胶立方体表面特定的基因修饰。（步骤5）水凝胶的方块被收集到一个0.5毫升的微管装配缓冲区满。（步骤6）通过旋转管进行组装。（步骤7）的溶液转移到培养皿中，在显微镜下成像。bcMultaptedirn&rs(£53中EC会+匚/E中工508-或1-20，oSpecificCress54叫柏bindingt)tfKngaei图4|自组装水凝胶立方体与面对特定DNA交修饰。（一）水凝胶携带巨大

22、的立方体DNA胶面被指定在步骤1-4制作，在步骤5中收集的搅拌混合，0.5ml的微管，在步骤6中，并转移到一个7步成像培养皿。（乙）具有串联重复的一个/一个*（用身体的立方体标记的红色），乙/乙*（蓝色的身体立方体）或碳/碳*（黄身体立方体）的水凝胶立方体显示的水凝胶。带着巨大的脱氧核糖核酸的立方体是彩色的绿色。字母x和x*表示的互补DN际列（参见补充表S1序列细节）。刻度条，500毫米。（C）大会的具体量化，非特异性的装配和组装的立方体。*po0.05。（4）线性链结构组装的红色和蓝色的凝胶。左，示意图。右，显微镜图像。插图显示了一个链含七个立方体。刻度条,200毫米。（一）网状结构自红色和

23、蓝色立方体自组装。刻度条，200毫米。运用上述策略，我们展示了复用组件三水凝胶立方体（图4b,二聚物种C）。在这个实验中，六种生产的水凝胶立方体（图4b,左）。第一种是一个红色的水凝胶立方体（即身体立方体包含红珠）显示巨大的DNM联重复序列。我们称这个立方体为红色的立方体，其他五种是红色的立方体（在这里，序列是互补的），蓝色的立方体，蓝色的立方体*，黄色的立方体和黄色的立方体*。在同一试管中分别进行了六个立方体的多个拷贝，然后将其在同一试管中的室温（见详细信息）进行混合。6小时后旋转，解决成像（图4B,右）。三个种群的结构进行了观察和量化（图4c）。总的来说，77组装结构在六个独立的实验分析：

24、46溢预期的，特定的二聚体形成两个相同颜色的立方体，大概进行互补序列之间；10就形成了两种不同的颜色方块进行非互补序列之间的二聚体；44溢未组装的单块。二聚物的形成的特异性被量化为82%g以二聚物的总数的特定的二聚体的数目。利用显示巨基因在多个指定面上的水凝胶立方体，我们构建了线性链结构和网状结构。使链结构，两种：红色立方体立方体显示巨大的DNAft两对面，和一个蓝色的立方体，显示巨大的DNA在两对面*（图4D,左）。这两个物种产生的链结构，包含交替的红色和蓝色的立方体的组件，如预期（图4D,右）。最长链包含七个立方体的观察（图4D,右上角）。然后我们做了一个红色的立方体的物种，显示巨大的DN

25、A&两对面和巨型DNAB另两对面，和一个蓝色的立方体的物种，显示一个*对*和B相对面（图4E,左）。这两种装配导致网状红蓝相间的立方体，通过DNA修饰两侧连接结构的形成（图4E,右）。在三个独立的实验中，每一个实验中使用了40个红色和40个蓝色的互补立方体的线性和网状结构进行了组装。在本实验系统中，凝胶的立方体39%0然未组装，而58哪组装成线性结构（由于其体积小，3灿的装配和量化过程）中丢失。58%&立方体中，42%只连接到一个不同颜色的立方体，因此称为特别装配的立方体；余下的16哪连接的非特异性至少一个相同颜色的立方体，和被称为非特异性地聚集立方体。为网状结构，具体组合的立

26、方体，立方体，立方体的非专门组装组装单体，分别为56%30%口14%水凝胶复合结构的界面自组装。我们下一个程序的水凝胶单位的自组装成规定的有限结构。为了避免水凝胶立方体旋转垂直方向的装配过程中，装配和漂浮在水的PB7口FLUORINERTC-40液体之间的液/液界面呈扁平长方体的横向振动应用水凝胶；便于装配（图5A）。在这个界面系统的组装结构直接成像。我们分析了在界面系统中携带统一的水凝胶立方体的结合。超过70%急定的特异性结合，仅观察到水凝胶的立方体进行互补的核酸，这是我们在水溶液中观察到的一致。使用类似的制造策略如图4a,我们做了一个双组分复合凝胶：身体是一个1（长）1（宽）毫米（高）的扁

27、平长方体和垫的DNA制1250250250毫米的立方体。注意身体和垫块的长度比例增至4:1（与图4中的1相比）。使用界面系统和实施相对较小的片扁平的长方体，我们能够组装体（图5B）,具有有限长度的直链（图5c）、T型（图5d）和方形结构（图5e）0请注意，线性链，T路口和广场都是由四个不同的长方体的种类；通过简单地改变垫（因此表面巨大的DNA改性的模式，我们能够组装结构从链改变到一个丁字路口，和一个广场。装配过程中的细节都在电影拍摄时移。补充电影1显示两份二聚体自组装（图5B）0补充电影2显示的链结构的自组装（图5c）。补充电影3显示T型自组装（图5d）04补充电影展示了广场的自组装结构（图5

28、e）0图5|自组装水凝胶的长方体在液体-液界面。（一）在液相界面上的水凝胶自组装示意图。水凝胶的长方体漂浮在上层PBS液下FLUORINERTFC-40夜体之间形成的界面，和激动水平振动。（二）二聚体形成的红色和蓝色的凝胶。为装配过程看补充电影1。（C-E）原理和颜色四水凝胶体视显微镜图像（称为长方体红色，蓝色，黄色和紫色）自组装成链（C）T型（D）或方形（E）基于表面的DNA交模式。在组装过程中，分别看电影2、3和4。比例尺，1mm为二聚体实验（图5B）,两份各部件包括；对于线性（图5c）,丁字路口（图5d）和正方形（图5e）结构，包括只复制了一部分。我们测试了组件的每个系统的三倍或更多，和所有一起超过20个实验进行了这些结构。在这些超过20个实验中，预期的结构总是形成如预期的。然而，重要的是要注意，这样的系统（只涉及每个组件的一个副本）是显着更简单的系统，涉及多个相同的组件的副本。我们已经进行了一个实验来形成两份丁字路口。在这个实验中（补充图S4）,我们开始与14水凝胶立方体：两份中心水凝胶立方体（紫色）和四份各三侧水凝胶立方体（红色、蓝色