PERDIX: sebuah algoritma untuk desain otomatis DNA-origami dari geometri yang berbeda

Siapa yang tidak suka mengumpulkan konstruktor di masa kecil? Saya masih ingat kotak merah ini dengan banyak bagian logam, peralatan, dan lautan hasil yang mungkin, seandainya ada fantasi, waktu dan keinginan. Lego juga tidak boleh dilupakan, meskipun di sini semuanya sedikit lebih sederhana dan jauh lebih berwarna. Tapi yang lebih rumit dari keduanya adalah para perancang struktur nano berdasarkan origami DNA. Sampai sekarang, semua "detail" dari struktur tersebut dimodelkan secara manual, yang membutuhkan banyak waktu dan usaha. Bayangkan Anda harus membuat sendiri semua bagian LEGO sebelum merakitnya menjadi robot raksasa dengan laser, mesin jet, dan senapan mesin di bahu Anda. Tapi sesuatu kenangan masa kecil membawa kami ke padang rumput yang salah.

Mengesampingkan lelucon. Hari ini kita akan mengenal algoritma yang memungkinkan Anda secara otomatis membuat origami DNA dari bentuk yang agak beragam. Sebelumnya, mengubah bentuk untaian DNA menjadi perlu dilakukan secara manual, yang sangat membatasi kemungkinan prosedur semacam itu. Algoritma yang sama memungkinkan Anda untuk membuat bagian-bagian DNA perancang secara otomatis, yang memungkinkan Anda untuk menggunakannya untuk pembentukan struktur nano dua dimensi dan tiga dimensi. Plus, algoritma ini tersedia untuk semua orang. Laporan tim peneliti akan membantu kami mencari tahu apa yang berhasil dan bagaimana. Ayo pergi.

Dasar studi

Penggunaan DNA sebagai bahan bangunan dalam struktur nano dari berbagai aplikasi dalam beberapa tahun terakhir telah menjadi tujuan dari banyak penelitian dan eksperimen. Banyak dari mereka telah mencapai hasil yang sangat baik, tetapi seperti yang kita ketahui tidak ada batasan untuk kesempurnaan. Sebagai contoh, para peneliti mengutip struktur DNA monodisperse pada skala megadalt dengan koefisien koagulasi yang tinggi, yang diwujudkan dengan menggunakan bingkai panjang ssDNA (single-stranded DNA) - DNA single-stranded / single-stranded. Namun, dalam hal ini, panjang untaian DNA yang merupakan batasan utama pada ukuran DNA origami tunggal. Keterbatasan ini dapat diatasi dengan pembentukan struktur yang terdiri dari beberapa origami sekaligus.

Kita juga sudah tahu ( Tic-tac-toe: demonstrasi proses terkontrol konfigurasi ulang struktur DNA ) bahwa beberapa struktur DNA dapat dibuat menggunakan ubin DNA, yang memungkinkan Anda untuk membentuk geometri kompleks dari struktur ini.

Tetapi sekali lagi, semuanya bermuara pada fakta bahwa prosesnya dilakukan secara manual, dan ini lama dan suram. Apa yang disukai para ilmuwan? Itu benar, otomatisasi, atau setidaknya otomatisasi parsial. Alat serupa sudah tersedia (contoh ilmuwan - caDNAno atau Tiamat), namun, program ini memiliki kelemahan. Pertama, pembuatan bingkai secara manual. Kedua, keterbatasan algoritma di atas dalam masalah sistematisasi desain geometri struktur.

Singkatnya, dalam makalah ini, para peneliti menetapkan diri mereka sendiri tujuan menciptakan algoritma yang akan melakukan hampir semuanya sendiri. Dengan demikian, siapa pun dapat menetapkan hanya parameter kulit terluar dari struktur yang diinginkan, dan program akan mengisi bagian dalam secara independen dengan semua benang DNA, staples, sekuens, dan lainnya. Anda juga dapat melakukan proses dalam urutan terbalik - mengatur semua "bagian dalam", sehingga untuk berbicara, kisi struktur, dan algoritma akan membangun kerangka kerja yang benar dan paling optimal di sekitarnya.

Program open source (PERDIX) ini tersedia untuk semua orang, yang berkat para peneliti. Dengan demikian, siapa pun tidak hanya dapat "bermain-main" dengan program itu sendiri, tetapi juga, mungkin, membuat beberapa perubahan pada kodenya. Di mana untuk mengunduhnya dan bagaimana memulainya kami akan mempertimbangkan di akhir artikel.

Dan sekarang mari kita lihat contoh penerapan program ini yang diberikan tim peneliti kepada kami.

Hasil Validasi PERDIX


Gambar No. 1

Sebagai data input, baik gambar perbatasan dari struktur yang diinginkan ( 1A , di atas) atau gambar dengan detail geometris yang lebih tepat ( 1A , di bawah) digunakan. Selanjutnya, program itu sendiri mengisi ruang internal.

Ketika hanya "garis besar" yang ditentukan, geometri internal kisi struktur dibentuk oleh segitiga menggunakan program open source DistMesh, yang hanya memerlukan pengenalan kerapatan kisi sebagai parameter yang diperlukan.

Ketika bentuk dan garis geometris ditentukan ( 1A , bawah), Shapely digunakan - paket Python untuk memanipulasi dan menganalisis objek geometris datar. Shapely menghasilkan mesh poligonal, di mana garis-garisnya dan titik-titik perpotongannya membentuk geometri bingkai yang diperlukan.

Selanjutnya, setelah menentukan bentuk yang diinginkan, perlu untuk mengatur panjang nominal tulang rusuk, yang harus ≥ 38 bp (pasangan berpasangan) atau 12,58 nm. Dengan demikian, setidaknya dua crossover berpasangan per tepi pasti akan hadir dalam struktur yang diperlukan.

Kemudian semua garis target struktur masa depan ditransformasikan menjadi tepi DX, di mana semua simpul adalah titik koneksi multi-grid ( 1B ). Mengikuti prinsip-prinsip teori grafik, struktur kerangka optimal secara otomatis terbentuk, setelah itu proses penetapan urutan staples DNA tambahan selesai. Proses pengeditan manual data output (hasil) dilakukan dengan cara menghasilkan file caDNAno.

Para ilmuwan menyebut fitur yang sangat penting dari sistem mereka fakta bahwa tulang rusuk tidak harus sama dengan bilangan bulat heliks B-DNA ganda (10,5 bp). Dan ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan lebih banyak kebebasan dalam desain geometri struktur.


Gambar No. 2

Untuk secara cepat dan akurat melakukan bagian otomatis dari proses pembentukan geometri struktur, semua tepi harus terlebih dahulu dikonversi menjadi motif DX dengan merender setiap tepi geometri target menggunakan dua garis bingkai antiparalel ( 2A ). Kemudian mereka digabungkan pada satu titik, yang membuat masing-masing bagian ujung loop. Dan ini pada gilirannya mengarah pada pembentukan loop eksternal besar tunggal, yang terdiri dari loop kecil. Langkah selanjutnya adalah menemukan semua opsi crossover yang mungkin antara loop yang berdekatan, yaitu, pembentukan struktur persimpangan lingkaran.

Langkah ketiga dalam proses ini adalah untuk mewakili semua struktur yang dihasilkan sebagai satu set node, dan semua crossover sebagai tepi dari struktur masa depan.

Selanjutnya, spanning tree dari grafik ganda dihitung, setelah itu dikonversi ke kerangka ssDNA. Proses ini sepenuhnya otomatis. Dan akhirnya, model struktural tiga dimensi dihasilkan pada tingkat atom.

Gambar 2B menunjukkan dua opsi untuk pembentukan geometri struktur yang diperlukan: dengan panjang tepi diskrit atau dengan panjang tepi kontinu. Opsi kedua memungkinkan Anda untuk membuat struktur dengan panjang tepi sewenang-wenang, yang pada gilirannya memungkinkan untuk mendapatkan koagulasi terbesar. Variasi penataan geometri ini diverifikasi menggunakan mikroskop gaya atom pemindaian (gambar di sebelah kanan dalam gambar 2B ).


Gambar No. 3

Para peneliti juga menetapkan diri mereka sendiri tujuan memeriksa secara lebih rinci aspek-aspek seperti geometri target seperti kekakuan mekanik, akurasi bentuk, ukuran struktur, ukuran mesh internal dan jenis elemen-elemennya. Itu juga perlu untuk memahami betapa pentingnya bermain N-cabang, yaitu, jumlah koneksi antara tepi dan, sebagai akibatnya, kompleksitas keseluruhan struktur. Analisis data AFM menunjukkan bahwa struktur dua dimensi dengan sejumlah besar cabang dan panjang sisi yang lebih panjang (karena nukleotida tidak berpasangan) diperoleh dengan cukup baik, dan heterogenitas partikel dalam strukturnya minimal.

Grid internal struktur memiliki tiga opsi: segitiga dengan arah yang sama, kuadrat dan segitiga dengan arah yang berbeda ( 3C ). Itu adalah model dengan segitiga yang menunjukkan akurasi terbesar dalam pembentukan geometri yang diperlukan, berbeda dengan model dengan kotak. Kehadiran arah campuran dalam model segitiga, sehingga untuk berbicara, memungkinkan untuk mendapatkan cabang-N lebih simetris dan bentuk yang lebih akurat (kurang terdistorsi).

Para ilmuwan mencatat bahwa analisis mesh internal dari struktur yang disimulasikan sangat penting untuk memahami kekakuan mekanik dari struktur ini. Dan justru model yang dijelaskan di atas yang ideal untuk membuat struktur yang cukup kuat, akurat (dalam hal memenuhi parameter yang ditentukan) dan fleksibel.


Gambar No. 4

Tentu saja, para ilmuwan bukannya tanpa rasa keindahan. Oleh karena itu, mereka memutuskan untuk menunjukkan kemungkinan pengembangan mereka dengan merancang struktur dari 15 bentuk yang berbeda, lebih tepatnya dengan kisi-kisi dan bingkai internal yang berbeda. Kita dapat melihat opsi pada gambar di atas: di sini adalah kotak "biasa", dan seperempat lingkaran, dan bahkan lotus.

Perangkat lunak sumber terbuka

Seperti yang saya sebutkan sebelumnya, karya peneliti terbuka untuk semua orang di tautan (), di mana Anda dapat menemukan elemen program yang diperlukan (MATLAB, Python 2.7 dan Shapely 1.6.4).

Adapun algoritma untuk pembentukan geometri struktur DNA-origami, petunjuk untuk mengunduh dan menjalankannya disajikan di bawah ini dalam format video. Saya akan menyembunyikan semua video di bawah spoiler agar tidak meregangkan artikel.















Untuk seorang kenalan yang lebih terperinci dengan penelitian ini dan hasilnya, saya sangat menyarankan Anda melihat laporan kelompok riset dan bahan - bahan tambahan untuknya.

Epilog

Studi ini bertujuan menyederhanakan proses yang agak memakan waktu dan memakan waktu. Dan itu berhasil. Algoritma PERDIX memungkinkan Anda membuat struktur dengan geometri yang sangat berbeda, sambil mengatur parameter minimum yang diperlukan. DNA telah lama menjadi objek studi bagi para ilmuwan, tidak hanya sebagai bagian dari semua kehidupan dan pembawa informasi, tetapi juga sebagai pilihan yang memungkinkan untuk dasar teknologi masa depan. Karya-karya tersebut memungkinkan untuk memahami secara lebih rinci (dan jelas) seberapa luas kemungkinan struktur nano dibuat berdasarkan origami DNA.

Momen menyenangkan kedua dalam penelitian ini, setidaknya bagi saya, adalah bahwa algoritma tersedia untuk semua orang. Siapa pun dapat menggunakannya, siapa pun dapat memperbaikinya. Dengan memberikan akses penuh baik ke laporan mereka dan ke perangkat lunak itu sendiri, para ilmuwan tidak hanya berkontribusi pada mempopulerkan bidang ilmiah mereka, tetapi juga sains seperti itu.

Saya telah menemukan artikel-artikel di mana para ilmuwan sangat kritis tentang sistem bayaran untuk mengakses laporan, dengan alasan bahwa hal ini menempatkan penghalang tambahan antara pengetahuan dan orang biasa. Situasi dalam hal ini sangat ambigu dan kontroversial, karena setiap orang harus mendapatkan uang (baik publikasi ilmiah, dan kelompok penelitian, dan situs ilmiah), tetapi juga tingginya biaya akses ke beberapa studi membuat mereka tidak dapat diakses oleh pecinta sains biasa, mahasiswa dan bahkan beberapa profesor dan tokoh ilmiah. Seperti yang saya katakan, pertanyaannya ambigu, oleh karena itu kami tidak akan banyak menyinggungnya. Bagaimanapun, saya senang bahwa para pahlawan kita hari ini telah memberi kita akses penuh ke pekerjaan mereka, yang tidak hanya patut diperhatikan, tetapi juga kekaguman yang terus terang.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?